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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE
FACULTAD DE AGROINDUSTRIAS
DEFORMACIONES
γ
ZONA I
elastico
σ1
ESFUERZOS
ZONA II
plastico
ε1
MAQUINA UNIVERSAL
PROBETA EN
COMPRESION
PROBETA EN
TRACCION
PISTON
DIAL DE CARGA
PROFESOR :
ING. ENRIQUE ANIBAL BURLLI
ING. DARDO BARRERA
EDICIÓN 2002
Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES
Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli
1
... APROBADO POR RESOLUCIÓN N° 174/91 – C.D.
CONOCIMIENTO DE MATERIALES
PROGRAMA ANALÍTICO
TEMA 1 :
DEFORMACIONES. CLASIFICACION DE LOS MATERIALES. RELACION ENTRE TENSIONES Y
DEFORMACIONES. DIAGRAMAS. COEFICIENTE DE SEGURIDAD. TENSIONES ADMISIBLES.
ENSAYOS DE MADERA. GENERALIDADES. HUMEDAD. PESO ESPECIFICO. COMPRESIÓN. PODER
CALORÍFICO DE UN COMBUSTIBLE. DETONACIÓN. NUMERO OCTANO. VISCOSIDAD. TRATAMIENTO
PRE-METALURGICO. HORNOS SIEMENS-MARTIN. TRATAMIENTO TERMICO. RECOCIDO.
REVENIDO. TEMPLE.
TEMA 2 :
ENSAYOS DE MATERIALES. MAQUINAS DE ENSAYO. ENSAYOS ESTATICOS Y DINAMICOS.
FATIGAS. CONCEPTO. CURVAS DE WOHLER. DIAGRAMA DE FATIGA. EFECTOS QUE VARIAN LA
FATIGA. DETERMINACIÓN TIEMPO DE FRAGUADO. PROBETAS NUMERO CETANO. NUMERO
CETENO. INDICE DIESEL. CENTROS SIDERURGICOS ARGENTINOS. LEY DE GIBBS. ALEACIONES
LIVIANAS.
TEMA 3 :
ENSAYOS ESTATICOS. DEFORMACIONES PLASTICAS. DIAGRAMA DE DEFORMACIONES. ENSAYOS
DE CHOQUE POR FLEXION. CHORPY-ISOD. PROBETAS. MAQUINA DE ENSAYO. ENSAYO DE
MADERA. FLEXION. TRACCIÓN. DUREZA. MODULO DE ELASTICIDAD. HORNOS DE CUBILOTE.
GENERALIDADES. FUNDICIÓN. BLANCA-GRIS Y MALEABLES Y ESPECIALES.
TEMA 4 :
ENSAYO DE TRACCIÓN. DIAGRAMA. CONCEPTO Y DIAGRAMA DE ENSAYO. TENSIONES
VERDADERAS. ENSAYO DE MORTEROS. GRANULOMETRIA. ENSAYO DE HORMIGONES. PUNTO DE
CONGELACIÓN Y ESCURRIMIENTO. PUNTO DE INFLAMACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES.
OBTENCIÓN DE ARRABIO. ALTOS HORNOS. MODERNOS DE CARBON VEGETAL, COKE Y
ELÉCTRICOS.
TEMA 5 :
ENSAYO DE TENSIÓN. COMPRESIÓN DE FUNDICIONES Y ACEROS. ENSAYO DE GRASAS. TIPOS Y
CARACTERÍSTICAS DE LOS ENSAYOS. FABRICACIÓN DE ACEROS SÓLIDOS, LIQUIDOS Y
PASTOSOS. CONVERTIDORES. BESSENER-THOMAS. DIAGRAMA Fe-C.
TEMA 6 :
ENSAYO DE DUREZA BRINELL. ROCKWELL Y VICKERS. MICRODUREZA. RESISTENCIA. DIAGRAMA
DE EQUILIBRIOS DE ALEACIONES BINARIAS. DIAGRAMA DE ESTRUCTURA DE LA ALEACIÓN Fe-C.
HORNO ELECTRICO. GENERALIDADES. CRISOLES.
2
BIBLIOGRAFIA
1. ARQ. M. F. PASMAN,MATERIALES DE CONSTRUCCION, CESARINI HNOS, 1975
2. H. E. DAVIS, G. E. TROXELL, C. T. WISKOCIL, ENSAYE E INSPECCION DE LOS
MATERIALES EN INGENIERIA, CONTINENTAL S.A., 1970
3. G. FROMENT, MADERAS DE CONSTRUCCIÓN, LERU S.R.L., 1954
4. C. CHAUSSIN, G. HILLY, METALURGIATOMO II, URMO S.A., 1975
5. F. SCHLEICHER, MANUAL DEL INGENIERO CONSTRUCTOR, LABOR S.A., 1955
6. AARÓN HELFGOT, ENSAYO DE LOS MATERIALES, KAPELUSZ, 1979
7. P. STIOPIN, RESISTENCIA DE MATERIALES, MIR, 1968
8. APUNTES UNIVERSIDAD DE LA PLATA
9. APUNTES UNIVERSIDAD DE CORDOBA
10. APUNTES ING. MOLINA, CATEDRA CONOCIMIENTO DE MATERIALES, UNIVERSIDAD
DE AGROINDUSTRIAS
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Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli
3
INDICE
Aceros Obtenidos al Estado Pastoso, 59
AcerosObtenidos al Estado Sólido, 61
Agua de Constitución , 14
Agua de Saturación , 14
Agua Libre, 14
Aleaciones Binarias al Estado Liq. y Sólido, 76
Aleaciones Livianas, 31
Alotropía, 28
Altos Hornos a Carbón de Leña, 53
Altos Hornos de Coque, 53
Altos Hornos Eléctricos (Hornos Gronwar), 54
Aparato de Ensayo Rockwell, 74
Aplicación de la Ley de las Fases, 29
Características procedimiento elect., 81
Cargas Dinámicas, 6
Cargas Estáticas, 6
Cargas Oscilantes, 23
Cargas Pulsatorias, 23
Cargas, 6
Caso de un Metal Puro: (N=1), 29
Caso de una Aleación Binaria: (N=2), 30
Cementacion Carburante, 61
Cementacion Oxidante, 61
Clasificación de las Fundiciones, 41
Clasificación de los Ensayos, 22
Clasificación de los Materiales, 5
Coeficiente de Seguridad, 12
Combustibles, 52
Compresión de Aceros, 56
Compresión de Hormigones, 49
Compresión en Maderas, 14
Convertidores, 63
Coque, 53
Cribado, 17
Crisol, Hornos Heroult, 82
Cuerpos Deformables (Sólidos Deformables), 6
Curva Fuerza- Deformación de un Acero, 43
Curvas de Enfriamiento de Aleaciones, 75
Curvas de Enfriamiento de Metales Puros, 75
Curvas de Enfriamiento del Hierro, 66
Deformación , 8
Deformaciones Plásticas, 32
Determ. del Tiempo de Frague del Cemento, 26
Determinación de la Humedad, 14
Detonación, 15
Diag de Eq. de las Sol. Sólidas, 77
Diag. de Eq. Parcialmente Miscibles, 80
Diag. de Eq. Que No Forman Sol. Sólida, 78
Diagrama de Equilibrio Hierro– Carbono, 66, 67
Diagrama de fatiga, 25
Dúctil , 9
Dureza Brinell (Norma Iram Nº 105), 70
Dureza Rockwell (Norma Iram Nº 105), 72
Dureza Vickers, 75
Dureza, 70
Efectos que Varían la Resistencia de Fatiga, 26
Ensayo de Corte en maderas, 39
Ensayo de Fatiga – Curva de Wohler, 24
Ensayo de Materiales
Ensayo de Morteros, 48
Ensayos Científicos, 22
Ensayos de Choque, 34
Ensayos de Compresión en maderas, 38
Ensayos de Control, 22
Ensayos de Dureza, 70
Ensayos de Grasas: Mobilometro S.I.L., 58
Ensayos de Maderas, 37
Ensayos de Tracción en maderas, 38
Ensayos Destructivos, 22
Ensayos Dinámicos, 22
Ensayos Estáticos, 22
Ensayos Estáticos, 32
Ensayos No Destructivos, 22
Ensayos Tecnológicos, 22
Esfuerzo de Fluencia o Punto Cedente, 11
Esfuerzo de Rotura, 11
Esfuerzo Ultimo, 11
Esfuerzos de Compresión, 8
Esfuerzos de Corte , 8
Esfuerzos de Flexión , 8
Esfuerzos de Torsión, 8
Esfuerzos de Tracción, 8
Esfuerzos Normales, 8
Esfuerzos Tangenciales, 8
Esfuerzos Unitarios , 8
Esfuerzos, 7
Estricción, 44
Eutéctica, 30
Fabricación de Aceros al Estado Liquido, 63
Fabricación de los Aceros, 59
Fases, 28
Fatiga, 22
Forjas Catalanas, 59
Forma de Indicar El N° Brinell, 72
Forma de Indicar El N° Rockwell, 74
Forma de Indicar El N° Vickers, 75
Fraguado, 26
Fundentes, 15
General. Sobre Diag. de Equil. de Aleac., 75
Granulometría, 50
Hornos de Coque, 53
Hornos de Cubilotes, 40
Hornos Eléctricos Sin Cuba, 55
Hornos Eléctricos, 54, 81
Hornos Siemens – Martín (Afin. Del Arrabio), 18
Hornos Siemens Fijos, 19
Hulla, 15
Importancia del N° de Penetración, 58
Índice Diesel, 27
Ley de Hooke, 11
4
Ley de Las Fases- Ley de Gibbs, 28
Machaqueo, 16
Maderas
Maleable, 9
Máquinas de Ensayo de Choque, 34
Máquinas de Ensayo, 32
Método de Charpy, 36
Método de Fremont, 35
Método de Yzod, 37
Microdureza, 75
Módulo de Elast. de La Flexión en maderas, 40
Molienda, 16
Numero Cetano, 27
Numero Ceteno, 27
Numero Octano, 15
Obtenciónde Arrabio, 52
Obtención de Esponjas Ferrosas, 60
Peso Especifico Aparente Maderas, 14
Peso Especifico Real Maderas, 14
Poder Calorífico, 15
Por Afinado de las Fundiciones, 63
Por Afino de la Fundición, 60
Principio de Tresca, 47
Probetas para Compresión, 58
Procedimiento Bessemer, 63
Procedimiento Thomas Básico, 66
Procedimientos de Separación, 17
Pudelado, 60
Rango Elástico o Zona Elástica, 11
Rango Plástico o Zona Plástica , 11
Recocido, 21
Recuperadores, 20
Relación entre Tensión y Deformación, 6
Relación Esfuerzo – Deformación, 10
Resiliencia, Rechazo o Elasticidad, 10
Resistencia a la Flexión en maderas, 38
Revenido, 21
Solera Ácida , 20
Solera Básica , 20
Solera Neutra, 20
Soleras, 20
Temple, 21
Tenacidad, 10
Tensión Admisible , 12
Tipo de Ensayo, 22
Tipos hornos eléctricos, 81
Tracción de Morteros, 48
Tracción, 42
Tratamientos Pre-Metalúrgicos, 16
Tratamientos Térmicos Preliminares, 17
Tratamientos Térmicos, 20
Triangulo de Feret, 51
Valores de Choque o Resiliencia, 37
Viscosidad, 16
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5
BOLILLA Nº 01
OBJETO :
El conocimiento de los materiales tiene por objeto conocer las propiedades inherentes a cada uno,
la utilidad actual y posible de ellos, sus condiciones como aislante de humedad, sonido,
temperatura, resistencia a los agentes atmosféricos, al fuego, posibilidad de aumentar las
condiciones de las estructuras resistentes, etc.
En todas las naciones se efectúan estudios y ensayos de los materiales susceptibles de ser aptos
para la construcción de edificios y maquinas.
En un principio se comenzaron con los estudios físicos, fijándose normas para que sus valores
sean comparables para el examen de los aglomerantes, maderas, piedras y metales. Luego se
añadieron los estudios químicos y luego los microscópicos, que permitieron evolucionar la
metalurgia al poderse seguir el proceso de las modificaciones en el interior de los metales.
Los estudios y ensayos efectuados permiten como primera medida, economizar los materiales al
establecer el justo limite de su capacidad de trabajo y segundo extender las posibilidades de uso
en obras más grandes y complejas cumpliendo con las exigencias de menor peso, mejor calidad y
mayor rendimiento.
CLASIFICACION DE LOS MATERIALES
Una primera clasificación seria:
NATURALES : son los que se extraen directamente de la naturaleza, no necesitando para su
empleo mas que darle la forma adecuada, como ser piedras y maderas, o separándolas de otras a
las cuales están ligadas como el hierro.
ARTIFICIALES : Son aquellos que se preparan con productos diversos al estado pulverulentos o
pastosos y se endurecen por procesos químicos.
De lo dicho se desprende que existen dos clases de piedras: Naturales y Artificiales.
Las piedras NATURALES se encuentran en la naturaleza formando las rocas, constituidas por la
asociación de minerales de composición, estructura y origen diversos, que en forma de masas
independientes integran la corteza terrestre.
Las rocas pueden ser SIMPLES y COMPUESTAS, según estén constituidas por minerales
iguales, como por ejemplo las hullas, algunas calizas, etc. o distintos, como por ejemplo los
granitos.
Por su origen las rocas se clasifican en ERUPTIVAS, SEDIMENTARIAS y METAMORFICAS.
ERUPTIVAS : Se han formado al enfriarse el magma pastoso terrestre, consolidándose en el
interior las llamadas de profundidad o PLUTONICAS, y en el exterior las VOLCÁNICAS. Sus
caracteres son de:
1. origen ígneo
2. cristalinas (casi siempre)
3. macizas
4. no poseen fósiles
Los ejemplos más importante de las plutónicas son el granito, la diorita, etc.
De las volcánicas el porfido, el basalto y la traquita.
SEDIMENTARIAS : Son las que tienen su origen en la destrucción de rocas preexistentes por
acción del viento o el agua, y acumulación posterior de sus materiales, siendo, pues, de origen
secundario. Se presentan por capas o estratos generalmente horizontales, con frecuencia
plegados y estrujados por acción posterior a su formación. sus caracteres son:
1. origen acuoso
2. dispuestos en lechos
3. poseen fósiles
Los ejemplos principales son las brechas, areniscas, yeso, caliza y margas.
METAMORFICAS : Son las que experimentan cambios dentro de la corteza terrestre debido a las
grandes presiones y elevadas temperaturas, por lo cual su carácter primitivo sé a modificado de
tal manera que son indeterminables. Sus caracteres son:
6
1. Estado cristalino
2. Estructura laminar en escamas o foliadas
3. pueden poseer fósiles
Los principales ejemplos son las gneiss, pizarra micacea, cuarcitas, mármoles.
CLASIFICACION DE LOS MATERIALES SEGÚN SU PROPIEDAD MECANICAS
Según la naturaleza y magnitud de las deformaciones que experimenten los materiales bajo la
acción de fuerzas exteriores, sin tener en cuenta el valor de la tensión que las produce, se dividen
en dos grupos: Frágiles y Dúctiles (esfuerzos de tracción), Maleables o tenaces (esfuerzos de
compresión).
RELACION ENTRE TENSIÓN Y DEFORMACIÓN
CONSIDERACIONES
Debemos tener en cuenta las relaciones entre las cargas exteriores aplicadas y sus efectos en el
interior de los cuerpos, además no se supone que los cuerpos son idealmente rígidos como en
estática, sino que las deformaciones por pequeñas que sean tienen gran interés, esta materia
comprende los métodos analíticos para determinar la resistencia, la rigidez y la estabilidad de los
diversos medios soportadores de carga.
CARGAS: Fuerzas que actúan sobre los cuerpos. Según su efecto sobre los cuerpos existen
varios tipos de cargas.
CARGAS ESTATICAS: Son las cargas cuya magnitud o punto de aplicación no varia o lo hace
muy lentamente.
1.- Carga Puntual o Concentrada (carga aplicada en un solo punto)
2.- Carga Uniformemente Distribuida (carga iguales aplicadas en puntos uno al lado del otro)
3.- Carga Uniformemente variada (carga similar a la anterior, pero sus magnitudes son distintas)
Se denomina carga AXIAL cuando la carga esta aplicada en el centro de la sección transversal de
la pieza y en dirección al eje de ensayo.
CARGAS DINAMICAS: Las cargas que varían su magnitud o punto de aplicación con el tiempo
(cargas de impacto por ejemplo).
Cuerpos Deformables (Sólidos Deformables): Todo cuerpo está constituido por una serie de
partículas pequeñas entre las cuales actúan fuerzas (internas), estas fuerzas se oponen a los
cambios de forma del cuerpo cuando sobre él actúan fuerzas exteriores (P), si un sistema de
fuerzas exteriores se aplican a un cuerpo o un sólido sus partículas se desplazan relativamente
entre sí, y estos desplazamientos continúan hasta que se establece el equilibrio entre fuerzas
exteriores y fuerzas interiores (RI, RII).
La existencia de las fuerzas interiores pueden justificarse gráficamente sin entrar al estudio de la
estructura atómica del material, realizando cortes hipotéticos en un cuerpo, sobre cargas
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7
compatibles con su resistencia (Fig. 1), al analizar que fuerzas o sistemas de fuerzas debemos
aplicar para que las partes no se desplacen. En efecto, si tenemos en cuenta que cuando los
cortes supuestos no se realizan subsisten en el interior del material las mismas condiciones, el
equilibrio deberá ser mantenido por las fuerzas interiores en cuyo caso comprobamos además el
esfuerzo producido por el cuerpo, el que es posible medir con los valores y unidades de las
fuerzas que lo originan.
La condición de equilibrio queda entonces expresada por:
FUERZA EXTERIOR O CARGA = FUERZA INTERIOR = ESFUERZO
FIGURA 1 FIGURA 2
Si suponemos que las cargas aplicadas son perpendiculares a la sección transversal y se reparten
uniformemente (igual intensidad en todos los puntos), el esfuerzo total sobre una sección podrá
ser considerada igual a la resultante de las fuerzas interiores que actúan sobre la misma (RI, RII).
Si esta sección es transversal, el esfuerzo total será normal (Fig. 1), en cambio, si presenta una
determinada inclinación, (Fig. 2), la resultante interna (RI, RII), para su estudio, en sus
componentes normales (PN) y tangenciales (PT), siendo por lo tanto posible hablar de
ESFUERZOS NORMALES Y ESFUERZOS TANGENCIALES.
Esfuerzos: El término fundamental para el estudio de la resistencia de los materiales es el
llamado esfuerzo unitario, sabemos que el calculo de las fuerzas externas en una sección de un
miembro debe ser determinada por los conocimientos de la estática.
Si bien la clasificación anterior permite agrupar los esfuerzos en normales y tangenciales, su
individualización se obtiene analizando el efecto que producen en las secciones transversales.
Podemos así distinguir 5 tipos de esfuerzos simples o puros: TRACCIÓN, COMPRESIÓN,
FLEXION, TORSIÓN y CORTE.
8
TORSION
FLEXION
COMPRESIONTRACCION
ESFUERZOS NORMALES: Son los producidos por cargas o pares de cargas que tienden a
trasladar (separar o acercar) a las secciones transversales en un determinado sentido. Pertenecen
a esta clasificación los esfuerzos de tracción, compresión y flexión.
TRACCIÓN Y COMPRESIÓN: Se obtienen cuando las fuerzas exteriores, de igual magnitud,
dirección, pero de sentido contrario, tienden a estirar (tracción) o aplastar (compresión) según el
eje en el que actúa.
FLEXION: Tiene lugar cuando se producen pares de fuerzas perpendiculares al eje, que provocan
el giro de las secciones transversales con respectos a las inmediatas.
En este caso las cargas no actúan normalmente a las secciones transversales como en tracción y
compresión, pero el flexionamiento provoca, en el sentido del eje longitudinal (eje neutro), efectos
interiores similares a los de aquellos esfuerzos, imaginemos que tomamos un borrador de goma
con ambas manos y presionamos con los pulgares por el medio del mismo, veremos que en la
parte superior del mismo se “arruga” (compresión), y en la parte inferior se estira (tracción).
ESFUERZOS TANGENCIALES: Se denomina esfuerzos tangenciales o deslizamiento a los
generados por pares o cargas que actuando en el plano de las secciones transversales, tienden a
producir sus giros (TORSIÓN) o deslizamiento (CORTE).
TORSIÓN: Se origina por efecto de pares de fuerzas que actúan sobre los ejes de las secciones
transversales, produciendo el giro de las mismas en sus planos.
CORTE: Las fuerzas actúan normales al eje del cuerpo, desplazando entre sí las secciones
intermedias.
En las estructuras o mecanismos generalmente actúan simultáneamente dos o más esfuerzos
simples descriptos, obteniéndose los esfuerzos compuestos: FLEXO-TORSION, TRACCIÓN-
COMPRESION, etc.
ESFUERZOS UNITARIOS: Puede ser definido como la fuerza interna por la unidad de área de
una sección de unión. Hay dos tipos de esfuerzos. Esfuerzos normales los cuales actúan en
perpendicular a las secciones en estudio y pueden ser de tensión o compresión dependiendo de
sus tendencias a alargar o acortar el material sobre el cual actúa.
La resistencia de materiales estudia a los sólidos como cuerpos deformables que ofrecen gran
resistencia a la deformación y desea hallar:
a.- El estado de tensión del sólido
b.- Determinar cuales son las fuerzas internas con el objeto de analizar si el sólido puede o no
resistir las cargas externas, o conocidas las cargas externas determinar las dimensiones que debe
tener el cuerpo para resistirlas.
c.- El estado de deformación infinitesimal para determinar los desplazamientos de los cuerpos
para saber si son balanceados y para resolver problemas hiperestáticos.
Deformación: Un cuerpo sólido sometido a un cambio de temperatura o a cargas externas se
deforma.
Deformación Uniforme: Cambio de longitud entre la longitud inicial (Lo) y la final (Lt).
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9
Lo
∆L
P
Lt > Lo El cuerpo se alargo
Lo > Lt El cuerpo se acorto
A = seccion transversal probeta
Lt
Si a una barra recta de sección transversal constante le aplicamos una carga de tracción o
compresión, experimenta (a medida que la carga aumenta), un alargamiento (tracción) o
acortamiento (compresión), cuya magnitud depende de la naturaleza y dimensiones del material,
esta deformación se la denomina (∆l), que resulta de la diferencia entre la longitud inicial y la
longitud al momento cualquiera que posee la pieza.
Para determinar el numero representativo de la deformación, se indica por unidad de longitud
(todas las dimensiones con una misma unidad de medida, que dará por resultado un numero
adimensional), obteniendo la deformación unitaria o especifica (εε).
encionala
mm
mm
lo
lolt
lo
l
dim==
−
=
∆
=e
Cuando la sección transversal varia o el material presenta características diferentes en la misma,
la deformación unitaria representa un valor medio y se deberá determinar el alargamiento o
acortamiento producido en una longitud elemental.
lo
l∆∂
=∂e
Si el esfuerzo es tangencial o de corte, la deformación que se produce varia corrientemente de un
lado a otro, puede expresarse como una deformación angular. Si tenemos un cuerpo elemental en
el que actúan las fuerzas cortantes únicamente sobre la cara BC. Por la cara AD se generan
esfuerzos cortantes opuestos además supondremos que la altura l esta constituida por placas
superpuestas de pequeño espesor, estas se deslizaran entre sí lo que nos indica que el
deslizamiento total o deformación total estará dada por el segmento BB’, el que por unidad de
longitud será igual a la tg del ángulo de deslizamiento.
Deformación unitaria por deslizamiento = BB’ = tg γ
10
γ
De acuerdo a la magnitud del esfuerzo y a la naturaleza del material, las deformaciones
especificas o angulares pueden ser transitorias o elásticas cuando desaparecen al cesar la carga
que las originan, y permanentes o plásticas en caso contrario.
Cuando un material se rompe en su periodo elástico con muy poca deformación plástica, resulta
frágil y su fractura se produce en forma brusca, tal como ocurre en la fundición, aceros resistentes,
hormigones.
Cuando presenta deformación plástica resulta Dúctil, Maleable o Tenaz (aceros blandos).
Dúctil: cuando la deformación plástica se origina por esfuerzos de tracción (el material es alargado
o estirado).
Maleable: cuando los esfuerzos son de compresión (aplastamiento).
Desde el punto de vista tecnológico la ductilidad es la propiedad de los materiales de permitir ser
transformados en alambres o hilos (trefilado) y la maleabilidad la de dejarse extender hasta
adoptar la forma de planchuelas o chapas (martillado y laminado).
Si tenemos en cuenta el trabajo absorbido por el material en su proceso de deformación hasta la
rotura, el mismo será tanto mayor cuanto mayor sea su resistencia y capacidad de deformación
plástica, obteniéndose lo que se conoce como:
Tenacidad: o propiedad de absorber energía que impide en muchos caso la fractura de los
elementos expuestos a cargas de choque o impactos.
Resilencia, Rechazo o Elasticidad: característica de comportarse como un resorte, cuando la
carga aplicada no excede del periodo elástico del material, la carga acumulada es devuelta por el
mismo al cesar aquella.
Relación Esfuerzo - Deformación:
En este caso trabajaremos con el diagrama del ensayo de tracción de un acero, siendo este el
diagrama más característico, ya que se puede observar todos los puntos interesentes que ocurren
dentro de este tipo de diagrama.
DIAGRAMA TENSIÓN-DEFORMACIÓN DEL ACERO
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11
ESFUERZOS
DEFORMACIONES
ZONA I
elastico
ZONA II
plastico
σ1
ε1
γ
En la figura se representa el diagrama típico de acero común.
En la figura se observa que los esfuerzos unitarios y las deformaciones unitarias son
proporcionales desde (O) hasta el punto (A), al continuar cargando se puede observar otro punto
interesante (B), en el cual las deformaciones ya no son proporcionales a los esfuerzos, pero el
material continua con deformaciones elásticas, esto significa que si dejamos de realizar el ensayo
de tracción, y descargamos la probeta, el material recupera su longitud inicial, más allá del punto
(B) la deformación aumenta rápidamente en relación con el esfuerzo (C-D) (periodo de fluencia),
continuando el ensayo luego de (D) el esfuerzo y la deformación crecen sin ningún tipo de
proporción hasta llegar al punto (E) luego de dicho punto el esfuerzo unitario disminuye y la
deformación unitaria crece hasta la rotura del material (F).
Los puntos característicos son:
A = límite de elasticidad o proporcionalidad.
B = límite de elasticidad práctica.
C = límite inicial de fluencia.
D = límite final de fluencia.
E = carga máxima.
F = rotura de la probeta.
Zona Ι = período elástico.
Zona ΙΙ = período plástico.
Podemos definir estos puntos como:
Rango Elástico o Zona Elástica: Zona dónde es válida la Ley de Hooke en cualquier punto de
esta zona el material se deforma bajo la acción del esfuerzo y al retirar el esfuerzo el material
recupera sus dimensiones originales sin que quede ninguna deformación (desde 0 hasta A).
Rango Plástico o Zona Plástica: Es la zona donde los esfuerzos no son proporcionales a las
deformaciones, un material cargado que se encuentre en esta zona al retirar el esfuerzo queda
con una deformación permanente.
Esfuerzo de Fluencia o Punto Cedente: En este punto el material desarrolla un marcado
incremento de la deformación sin aumentar el esfuerzo. En la figura el punto cedente esta
12
determinado por las ordenadas de (C y D), dentro de este periodo de fluencia podemos obtener
dos nuevos puntos interesantes que seria el punto de fluencia máxima que en este caso coincide
con el inicio de fluencia (C) (puede resultar otro punto dentro de este tramo), y el punto de fluencia
mínimo (C1).
Esfuerzo Ultimo: Es el mayor esfuerzo basado en el área original de la probeta, que puede
desarrollar un material así que es la máxima ordenada de un diagrama Esfuerzo / deformación. En
la figura el esfuerzo último esta determinado por la ordenada del punto E.
Esfuerzo de Rotura: Es el esfuerzo en un material basado en el área original en el instante en
que se rompe. Es la última ordenada del diagrama representado por el punto F.
LEY DE HOOKE
Consideremos una barra prismática cargada en su extremo tal como indica la figura fig. 1 Bajo la
acción de esta carga la barra se alarga una cierta cantidad ÄL.
Cuando la carga disminuye, el alargamiento de la barra también disminuye, y el extremo cargado
vuelve hacia arriba. Si al retirar la carga el cuerpo recupera su forma primitiva, se dice que el
mismo es perfectamente elástico, (es el caso que estudiaremos en esta bolilla)
Si, por el contrario, al descargarlo la deformación no desaparece por completo, se trata de un
cuerpo parcialmente elástico (estudiado en bolilla 3).
Si esta barra fuera de acero el diagrama obtenido seria el ya visto, y se podrá ver que entre ciertos
límites el alargamiento de la barra es proporcional a la fuerza extensora (Hooke, 1678).
Como la fuerza P se distribuye uniformemente en toda el área A de la sección de la barra, la
fuerza por unidad de superficie será:
A
P
=s
se denomina Tensión y se expresa corrientemente en kg/cm
2
o en t/cm
2
(carga sobre
superficie)
A su vez, el cociente entre el alargamiento y la longitud inicial constituye el alargamiento por
unidad de longitud:
l
l∆
=e
Se observa que en el diagrama hay una zona donde las deformaciones son proporcionales alas
tensiones (0 a A), esto significa que a un determinado esfuerzo le corresponde una determinada
deformación. La Ley de Hooke expresa esta proporcionalidad de la siguiente manera:
Si obtenemos la tangente de γ
ges
e
s
g TgTg ×=⇒= 1
1
1
Ahora si a tg γ la denominamos E (coeficiente de proporcionalidad)
nos quedaría que:
E×= es 1
El coeficiente de proporcionalidad E es una constante elástica del material llamada Módulo de
Elasticidad y se expresa en kg/cm2
o en t/cm2
.
En esta zona, si descargamos el material, este retorna a su longitud inicial (esto significa que toda
la deformación fue elástica), debemos tener en cuenta que el recupero de la deformación en el
diagrama es coincidente con la recta O-A.
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13
También debemos tener en cuenta que si bien el punto A, es el limite de proporcionalidad, no es
el punto donde comienza la zona plástica, ya que existe otro punto muy próximo al punto A
(denominado B), en el cual las deformaciones no son proporcionales a los esfuerzos, pero si son
elásticas, por lo tanto el punto B seria el limite elástico real. A partir de B comienza la zona plástica
que la estudiaremos en la bolilla 3.
COEFICIENTE DE SEGURIDAD
La adopción del Coeficiente de Seguridad se realiza según el tipo de material, del modo de actuar
la carga sobre el cuerpo, ya sea constante, variable o alternada, como también la exactitud del
calculo, cuanto menos exacto es, el coeficiente de seguridad debe ser mayor. En todos los casos
el coeficiente de seguridad es mayor que 1, ya que la intención al adoptar este coeficiente es
trabajar lejos de los limites de tensión adoptado.
coeficiente de seguridad u >1
TENSIÓN ADMISIBLE
Para tensiones inferiores al límite de proporcionalidad, el material puede considerarse
perfectamente elástico; por encima de este límite, parte de la deformación se conserva al
descargar la barra. Es decir se presentan deformaciones permanentes. Para que la estructura
esté siempre en condiciones elásticas y no exista la posibilidad de deformaciones permanentes, la
tensión de trabajo o tensión admisible debe adoptarse por debajo del límite de proporcionalidad.
Se toma como tensión admisible del material, la tensión de fluencia dividida por un coeficiente de
seguridad.
Materiales Dúctiles:
u
s
s
fluencia
adm =
Materiales Frágiles:
u
s
s
rotura
adm =
Por ejemplo en el caso del acero de dureza natural ADN 420, tomando un coeficiente de
seguridad = 1,75, la tensión admisible será:
)/(2400
75.1
)/(4200
75.1
2
2
cmkg
cmkgFluencia
adm ===
s
s
El módulo de elasticidad de estos aceros es E = 2100000 kg/cm2
Para el caso de estructuras conformadas por perfiles laminados o tubos estructurales, la tensión
de fluencia es de 2400 kg/cm
2
, y el coeficiente de seguridad es 1.6
)/(1500
6.1
2
cmkgFluencia
adm ==
s
s
Para los materiales frágiles, como la fundición, hormigón, se toma la Resistencia de Rotura, por la
dificultad de hallar la tensión de fluencia.
14
MADERAS
GENERALIDADES
Las condiciones climatologicas, el suelo y la altitud son factores que fijan una determinada
especie, es así que en las regiones frías solo pueden encontrarse árboles de madera blanda y de
colores pálidos (pinos), en cambio ambientes cálidos predominan las pesadas, duras y de colores
oscuros (quebracho, algarrobo).
En un corte transversal se puede observar la parte central, conocida como duramen o corazón,
representa el soporte o estructura de la planta al estar constituida por la madera perfecta cuyo
tejidos han dejado de cumplir toda función activa (conducción de savia), la zona media o albura es
la encargada de transportar hacia la copa y por medio de sus vasos el jugo vegetal formando por
esta causa la parte más húmeda de madera joven o imperfecta, y por ultimo la corteza.
MEDULA
DURAMEN
ALBURA
celulas de cambio
CORTEZA
Externa (epiderma)
Interna (endoderma)
Se puede dar una primera clasificación por la propiedad mecánica de dureza, denominándose
blandas a todas aquellas de tejido flojos, pocos densos y que pertenecen a especies de
crecimiento rápido, y duras a las de tejidos fijos y compactos.
Otra característica es el color, las duras presentan colores oscuros, llegando en algunos casos al
negro, para ir variando hasta el blanco en maderas livianas y blandas.
Otra clasificación es teniendo en cuenta sus pesos específicos, para lo cual es necesario hacer
notar que por ser un material heterogéneo y de porosidad relativa elevada, debe distinguirse entre
el peso especifico de la madera propiamente dicha o real y el aparente, que resulta de relacionar
el peso con la unidad de volumen de la misma al estado natural.
La humedad es uno de los agentes que inciden sobre sus características físicas y mecánicas,
provocando variaciones en el volumen y en la resistencia. Es por eso que las maderas recién
aserradas deben ser sometidas a un proceso de secado, natural o artificial, para disminuir la
humedad, para lograr mayor resistencia. Con este procedimiento la madera se considera seca
cuando el porcentaje de humedad varia entre el 10 % y 20%.
DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD
Cuando se considera la humedad debemos distinguir entre:
AGUA LIBRE: la que puede alojarse en los vasos y poros de las mismas, esta aparece cuando las
paredes de las células están saturadas; es la primera en evaporarse, esta humedad puede variar
entre grandes limites por depender de la porosidad de la especie.
AGUA DE SATURACIÓN: la que es capaz de absorber las fibras o tejidos, pueden eliminarse
íntegramente colocando la madera en una estufa de circulación de aire a temperaturas de 100 -
110 °C, la saturación se alcanza entre el 25 y el 30 %
AGUA DE CONSTITUCIÓN: Forma parte integrante de la materia leñosa y que no puede
eliminarse sino por destrucción de la madera mediante fuego; esta humedad no es considerada
para los ensayos.
El porcentaje de agua se calcula colocando las muestras o probetas, previamente pesadas, en
estufas de temperaturas variables entre 100 y los 105°C, hasta que la muestra tenga un peso
constante, para lo cual se verifica el peso de la madera periódicamente hasta obtener 2 o más
pesadas iguales.
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15
pn = peso de la probeta a la humedad H%
po = peso constante o de la madera seca
humedad porcentual 100%)( ×
−
=
po
popn
h
La importancia que tiene esta determinación se pone en manifiesto por las comprobaciones
practicas de que la resistencia a la compresión disminuye entre el 4% y 6% por cada 1% de
aumento de humedad.
En ensayos de tracción axial y flexión realizados sobre probetas con un 40 % de humedad, la
resistencia disminuya a la mitad y a las 2/3 partes respectivamente.
La humedad normal es del 15 %.
PESO ESPECIFICO REAL
Es el que se obtiene de relacionar el peso de un trozo de madera con su volumen, en este caso la
humedad interfiere mucho, debido a que a mayor cantidad de agua mayor será el peso de un
mismo volumen del material, entonces debe tomarse el 0 % de humedad.
PESO ESPECIFICO APARENTE
Es el que se obtiene de relacionar el peso de un trozo de madera con su volumen, en este caso el
peso y el volumen se obtienen de muestras con un mismo grado de humedad, este valor es
extraordinariamente variable, ya que depende no solamente de la estructura del material, sino
también del grado de humedad de la muestra que influye sobre el peso y sobre el volumen.
Para los ensayos se normalizo, que el % de humedad debe ser del 15 %.
COMPRESIÓN
El ensayo de compresión es el más común y puede realizarse según la dirección de las fibras o en
forma transversal a ellas, siendo la primera la más importante debido a que se obtienen resultados
uniformes y más exactos. El ensayo se realiza en prensas de 4 tn como mínimo, las probetas no
deben presentar defectos y no presentar fibras torcidas.
La resistencia determinada con probetas cúbicas es algo superior a la obtenida con la probeta
prismática de igual base, por la mayor influencia que en las cúbicas ejerce el rozamiento en las
secciones medias.
Una vez colocada la probeta entre los platos de compresión de la maquina, se pone en cero el
registrador de esfuerzos y se comienza la aplicación gradual y uniforme de la carga hasta la rotura
o suspensión del ensayo.
La resistencia de la madera disminuye con el aumento de la humedad entre ciertos limites, los que
corresponden al estado de completa sequedad (0%) y al de saturación de las fibras (30%), pasado
el cual los valores permanecen mas o menos constantes.
PLACA DE ACERO
5
5
5
15
16
COMBUSTIBLES
Es toda sustancia capaz, al combinarse químicamente con el oxigeno (oxidación), de constituir
una fuente calorífica de aplicación practica.
La combustión es una combinación de un elemento combustible con el oxigeno, por lo tanto es
una oxidación. Cualquier elemento capaz de combinarse con el oxigeno produce cierta cantidad
de calor la cual no es mas que la energía desarrollada. Cuando el combustible contiene
compuesto del carbono es combustible orgánico. Cuando contiene un elemento simple, como el
Si, Mg, S, F, es inorgánico.
HULLA:
Carbones fósiles que arden con llamas mas o menos larga desprendiendo humo muy grasiento,
se denominan a este carbón BITUMINOSO. Este carbón se convierte en antracita que arde casi
sin llamas, sin humo ni olor.
Se dice una hulla coquiza fácilmente cuando al entrar en combustión se reblandece y suelda entre
si los trozos que la forman. Los carbones fósiles denominados hullas secas no coquizan en
pequeño grado. Una hulla que contiene elevado % de oxigeno no es coquizable.
FUNDENTES:
Son cuerpos que se agregan al mineral que debe tratarse en el alto horno para provocar la
separación de la ganga. A altas temperaturas el fundente se combina dando lugar a cuerpos
compuestos de más fácil fusión que antes.
PODER CALORÍFICO:
Se entiende por poder calorífico de un combustible al calor desprendido durante la combustión
completa de 1 Kg del mismo si es sólido o liquido o de 1 m3 si es gaseoso.
DETONACIÓN :
Es el incremento súbito de energía causado por el aumento de la presión de compresión de un
motor que eleva la temperatura de la mezcla aire-combustible y produce la auto ignición.
La detonación produce un choque audible llamado pistoneo que perjudica al motor.
La detonación se mide en números octanos.
NUMERO OCTANO:
Es una prueba de calidad efectuada directamente en el servicio. El N° octano de una gasolina
indica su relativa tendencia a pistonear bajo condiciones especificas de operación en un motor de
laboratorio. Esta tendencia se determina por medio de comparaciones con combustibles de
composición y rendimientos conocidos.
Al iso-octano puro se le ha asignado el grado 100, porque no pistonea en la mayoría de los
motores de automóviles.
Al heptano normal de pureza similar se le ha asignado arbitrariamente el grado 0, debido a que
pistonea en casi todos los motores de automóviles.
El N° octano es una prueba en servicio real de al calidad del combustible para motores. Es una de
las más importantes que se usan regularmente en la producción de las gasolinas modernas de
alta calidad. Ha ayudado tanto a los fabricantes de motores como a los refinadores de petróleo
haciendo posible la fabricación económica de motores de automóviles de alta velocidad con
relaciones de compresión altas como de 9 a 1.
El N° octano es el % en volumen, de iso-octano que conforma una mezcla de iso-octano y
heptano normal que puede equipararse con el combustible desconocido en su tendencia a
detonar.
VISCOSIDAD :
La viscosidad de un liquido es la medida de su fricción interna, o sea su resistencia a fluir. Se dice
que un liquido tiene baja viscosidad si fluye libremente como sucede con el agua ytiene alta
viscosidad cuando fluye lentamente. Técnicamente la viscosidad se define como la fuerza
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necesaria para mover una superficie plana de 1 cm2 sobre otra superficie plana con una velocidad
de 1 cm/seg, cuando las dos superficies planas están separadas por una capa liquida de 1 cm de
espesor. Esta fuerza se denomina POISE o unidad de viscosidad absoluta o dinámica.
La viscosidad cinemática es la razón de la viscosidad absoluta de un liquido y la densidad del
mismo a la temperatura a la cual se mide la viscosidad. La unidad de la viscosidad es el STOKE.
La viscosidad en stokes multiplicada por la densidad a la temperatura de la prueba es igual a la
viscosidad en POISES.
La industria petrolera toma como medida de la viscosidad el lapso de tiempo necesario para que
una cantidad determinada de aceite fluya por un tubo capilar calibrado. Estas medidas se toman
usando diversos instrumentos llamados viscosímetros. Uno de ellos es el SAYBOLT UNIVERSAL,
esta compuesto de un tanque o baño que contiene un cilindro vertical con un orificio pequeño en
el fondo del cilindro que contiene un tapón o corcho, contiene aceite que se va a probar. El tanque
exterior es un baño de agua u otro liquido, para mantener el aceite a una determinada
temperatura. Una vez que se halla llenado el cilindro con aceite, este se calienta a la temperatura
deseada (100, 130, 210° F). Al quitar el tapón de corcho, el aceite fluye del cilindro a través del
orificio y se deposita en un matraz aforado de 60 cm3. El tiempo en segundos que tarda el aceite
en llenar los 60 cm3 es la viscosidad a la temperatura de la prueba. La viscosidad se expresa en
segundos universales saybolt.
TRATAMIENTOS PRE-METALURGICOS
El material se extrae de la mina en forma de bloque mas o menos grandes y en general deben
reducirse a un grado de finura adecuado, estos procedimientos son:
MACHAQUEO:Tiene por objeto transformar los bloques de mineral en trozos de 5 a 10 cm de
diámetro, generalmente se hace en dos a tres etapas.
pueden ser:
Machacadoras de mandíbulas: que posee una mandíbula fija y otra móvil, animada de un
movimiento de vaivén, que choca sobre la primera produciendo el machacado.
MOLIENDA: Completa la acción del machaqueo, reduciendo el mineral a polvo con partículas del
orden de 1 mm.
Molino de cilindros: Esta formado por dos cilindros o rodillos del mismo diámetro y que giran en
sentido contrario, pudiéndose variar la separación entre los mismos para regular el diámetro de
polvo a obtener.
Molino de bolas: Estos molinos pulverizan los materiales previamente machacados por
aplastamiento, consta de un recipiente cilíndrico giratorio con paletas, con bolas de acero de 1 kg
de peso en su interior, que al ir girando el tambor las bolas caen sobre los bloques de mineral
pulverizándolas, posee un tamiz en la periferia que permite salir al polvo de acuerdo al tamaño
deseado
CRIBADO: o tamizado consiste en clasificar los trozos según su tamaño.
Un método es un cilindro con las paredes perforadas cuyos orificios van de menor a mayor, por
donde se produce el tamizado a medida que el cilindro gira.
18
RODILLOS
LARGUEROS
Otro método seria por criba vibrante, que comprende dos o tres tamices superpuestos de mayor
tamaño a menor con un movimiento vibratorio.
Con estos procedimientos obtenemos lo que se denomina GANGA.
PROCEDIMIENTOS DE SEPARACIÓN:
Estos tratamientos tienen por objeto separar de la ganga el elemento rico del mineral.
Un método seria por flotación este consiste en introducir el mineral en líquidos densos contenidos
en un tambor que gira, las fracciones ligeras quedan en suspensión y las fracciones pesadas van
al fondo y son recogidas por cangilones (paletas con forma de tirabuzón, fijas a las paredes del
tambor) que las trasladan a un canal de arrastre.
TRATAMIENTOS TERMICOS PRELIMINARES:
Este tratamiento tiene por objeto operar una transformación química dando un producto intermedio
más apropiado para la elaboración del metal en el tratamiento metalúrgico propiamente dicho.
Dos son los tratamientos más importantes
1.- Calcinación de los carbonatos: hornos de cuba, este horno de eje vertical recibe las materias a
tratar por su parte superior denominada tragante y los productos de la operación salen por la parte
inferior. La calefacción se obtiene cargando por el tragante un combustible sólido en capas
alternadas con el material a tratar, y por la parte inferior del horno se inyecta aire, la temperatura
no debe superar los 400 °C para que no se fluidifique el material.
2.- Tostación de los sulfuros: Consiste esencialmente en someter el material a la acción oxidante
del aire a alta temperatura.
Se utilizan hornos largos y rotativos de eje prácticamente horizontal, con toberas en la periferia del
horno para ingresar el aire, el giro del horno es lento.
PRODUCTO
TOSTADO
TOBERASALIMENTACION
Daremos hora una idea del tratamiento siderúrgico, siendo este la metalurgia de las aleaciones a
base de hierro.
Comprende dos fases distintas:
1.- OBTENCIÓN DEL ARRABIO: Se parte de un oxido de hierro natural u obtenido por calcinación
de un carbonato o por tostación de la pirita de hierro. Este oxido se reduce en el alto horno, la alta
temperatura necesaria para la separación de la ganga favorece otras reacciones (en particular la
cementacion) que incorporan diversas impurezas al hierro, así se obtiene un producto muy impuro
llamado ARRABIO que contiene un 94 % de hierro.
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2.- AFINO DEL ARRABIO: Consiste esencialmente en la eliminación por oxidación de la mayor
parte de carbono y otras impurezas del arrabio, obteniéndose los aceros ordinarios.
HORNOS SIEMENS – MARTÍN (Afinado del arrabio)
Martín consiguió transformar la fundición utilizando un horno de reverbero.
El proceso esta basado en el principio de la descarburación de la fundición, mediante chatarra de
Fe y acero en retazos que constituye un desperdicio de las industrias que utilizan estos
materiales.
Como el Fe y el acero son aleaciones, producen una mezcla de menor carburación, la que al
estado liquido se homogeniza dando lugar a un acero cuyo porcentaje de C puede hacerse variar
a voluntad, con solo aumentar o disminuir ciertas cargas que se agregan al baño metálico.
Este procedimiento solo fue posible emplearlo en gran escala, cuando se aplica el horno
inventado por Siemens, el cual permite obtener temperaturas elevadísimas, uniformes y
constantes, en todo el recinto donde esta alojada la solera, o sea el lugar donde se produce la
fusión del metal. A este recinto se lo llama laboratorio.
Con el procedimiento Martín se ha hecho indispensable la utilización de hornos Siemens, por lo
que el procedimiento se conoce como Siemens – Martín.
El horno funciona de la siguiente manera :
Se hace pasar los productos de la combustión antes de ir a la chimenea por grandes pilas de
ladrillos u otros materiales capaces de absorber bien el calor.
Este calor almacenado puede utilizarse para calentar el aire u otros elementos gaseosos
destinados a quemarse, haciéndolos atravesar las pilas de ladrillos para que absorban el calor con
que se consigue aumentar la temperatura en el lugar donde se produce la combustión.
Con este horno se obtiene una temperatura que oscila entre los 1800 y 2000 °C, y tiene la
característica que el revestimiento de la solera interviene en largas reacciones que se producen.
La fabricación del acero por este método permitió utilizar las coladas y recortes procedentes de las
acerias, convertidores, así como toda clase de chatarras y desechos de metales ferrosos. Estas
coladas y recortes pasaron luego a ser el elemento principal de carga en este procedimiento.
El revestimiento de la solera del horno juega un papel importante. No se trata de reducir él % de C
solamente, sino la de eliminar los elementos nocivos, tales como S y P. La eliminación del S
requiere que la escoria sea indispensablemente básica y que además exista una alta temperatura.
La eliminación del P requiere el empleo de la cal en el baño donde se realiza el afinado. La cal
destruirá rápidamente un revestimiento ácido o silícico, por lo cual, solamente se emplea con
revestimiento básico. En el caso que el S y el P no existan, el revestimiento puede ser ácido.
Es decir puede utilizarse tres revestimientos :
a) Afinado sobre solera ácida.
b) Afinado sobre solera básica.
c) Afinado sobre solera neutra.
Los hornos de solera ácida son empleados preferentemente para fabricación de piezas
moldeadas, especialmente en acero puro. La naturaleza silicosa de las cargas y las reacciones
que se producen, favorecen la obtención de un acero exento de sopladuras.
Los hornos a solera básica son igualmente empleados para el colado de piezas, pero su destino
más importante es suministrar materia prima para los talleres de laminación. Presentan las
siguientes ventajas :
1. Es posible utilizar materiales ferrosos más impuros.
2. las reacciones y oxidaciones de los elementos contenidos en el baño se realizan mas
rápidamente y como consecuencia de esto, la operación invierte menor tiempo.
3. El consumo de combustible por Tn de acero obtenido es más bajo y por lo tanto de mayor
rendimiento económico.
El acero presenta gran maleabilidad en caliente.
20
HORNOS SIEMENS FIJOS
Pueden observarse dos partes principales; la solera y las cámaras recuperadoras, y otras partes
accesorias.
La Fig. representa el funcionamiento del horno, las cámaras R2 y R4 más pequeñas conducen el
gas proveniente del gasógeno en forma alternada según la posición de la válvula inversa. Las
cámaras R1 y R3 conducen aire en forma alternada. Por R2 entra gas, por R1 entra aire, por R3 y
R4 salen gases de combustión. Invertidas las válvulas, entra gas por R4, aire por R3 y salen los
gases de combustión por R1 y R2.
En ambos casos los gases de la combustión se dirigen a la chimenea después de ceder su calor a
las cámaras recuperadoras por donde circulan, en cambio, en las otras dos, tanto el gas como el
aire absorben el calor de las cámaras y entran calientes en el laboratorio donde la mezcla se
inflama con mayor facilidad. Las cámaras son recintos en los cuales están apilados ladrillos
refractarios, por lo general huecos, dispuestos modo tal que forman conductos verticales en zig –
zag.
por esta causa los humos calientes ceden su calor a una masa de ladrillos, durante determinado
tiempo, mientras se mantiene la circulación.
La inversión de la corriente gaseosa, la regulación del paso de gas y aire, así como la salida de
los humos, se realiza mediante un juego de válvulas de inversión.
La capacidad de los hornos Siemens – Martín es variable de acuerdo con la importancia que
asume la fabricación de acero en la aceria donde esta instalado, por ejemplo :
1. Hornos de hasta 5 Tn, destinados a la fusión de aceros destinados a piezas moldeadas.
2. Hornos de 6 a 20 Tn, destinados a la fusión de aceros que moldeados en lingotes sirven
para el forjado de grandes piezas o bien para el colado de gran tamaño.
3. Hornos de 30 a 50 Tn, y aun más, destinados a suministrar por colado en lingoteras, acero
que posteriormente se lamina para darle forma y secciones comerciales.
4. Hornos de 6 a 20 Tn, destinados a la fusión de aceros que moldeados en lingotes sirven
para el forjado de grandes piezas o bien para el colado de gran tamaño.
A = Entrada de aire
G = Entrada gas
L = Laboratorio
H = Chimenea
R1, R2, R3, R4 = Cámaras recuperadoras
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21
DIMENSIONES
SOLERAS: Debe tener la capacidad para contener la carga que en ella se deposita, las escorias
que se forman y las adiciones que deben agregarse en el transcurso de cada operación.
La capacidad debe ser mayor en el procedimiento básico por cuanto es mayor el volumen de la
escoria formada. Tiene forma rectangular con ángulos redondeados.
SOLERA ACIDA: Encima de las chapas de fundición se coloca una capa de ladrillos refractarios
silicoso puesto de canto. Sobre los ladrillos se coloca un mortero formado por cuarzo puro, de
algunos mm de diámetro mezclado con un 2 % a 5 % de arcilla refractaria para asegurar la unión
de las partes.
Cada capa es apisonada fuertemente a mano o con fundición, estos últimos se calientan para
evitar su adherencia al apisonar. El secado se hace primero suavemente y en forma indirecta,
mediante fuego exterior, cuyos humos se hacen entrar en el laboratorio, haciendo así evaporar el
agua contenida en el mortero de revestimiento.
SOLERA BASICA: Se forma con una capa de ladrillos manganesiferos, recubiertos por un mortero
de magnesia y dolomita mezclada con alquitrán. La dolomita del mortero se pulveriza hasta un
espesor de grano de 4 a 5 cm previo calentamiento inicial e intermedio entre capa y capa.
SOLERA NEUTRA: Se forma con pequeños bloques de ferrocarbono, llenando las juntas con
trozos menudos de material, mezclados con cal y magnesia.
RECUPERADORES : Son cámaras de ladrillos, colocadas lo mas cerca posible del horno para
aprovechar el máximo calor recuperable.
Los ladrillos son refractarios para que puedan resistir la acción de los gases de la combustión y el
oxigeno a altas temperaturas. Estos ladrillos se construyen a base de Si o de alumina.
TRATAMIENTOS TERMICOS
El calentamiento y enfriamiento a temperatura y tiempos controlados se denomina
TRATAMIENTO TERMICO, tiene por objeto la regeneración o modificación de la estructura
cristalina, el acrecentamiento o variación de algunas de sus características físico – mecánicas en
forma total.
El tratamiento térmico consiste por lo tanto, en variar la velocidad de enfriamiento para poder
obtener así estructuras cristalográficas con determinadas propiedades. El tratamiento térmico
consiste en:
1. Calentar el metal o la aleación metálica dentro de determinadas temperaturas, alcanzando
así determinadas propiedades existentes solo a esas temperaturas.
2. Enfriar, de determinada manera, ya sea casi instantáneamente, ya sea lento o muy lento,
interrumpiendo este enfriamiento una o más veces si fuera necesario y luego enfriándolo
hasta temperatura ambiente.
A = Ducha agua D = Aceite de linaza
B = Baño agua a 20 °C E = Plomo fundido
22
C = Mercurio
TIEMPO
D
E
C
B
A
TEMPERATURA (°C)
+ resilencia
+ resistencia
RECOCIDO
Es una operación térmica que consiste en calentar un metal a una temperatura por debajo de su
punto de fusión (815 – 870 °C) y luego enfriarlo lentamente, para provocar en dicho metal
propiedades que posee a temperatura normal (perlitica) y que pudo haber perdido a consecuencia
del trabajo mecánico o por tratamiento térmico.
El recocido produce la destrucción de las tensiones internas. La temperatura de recocido hace al
metal más maleable (dúctil y blando), hace desaparecer las tensiones existentes.
Además hace más homogéneo al metal: se presta para mejorar las propiedades de las piezas
obtenidas por colado favoreciendo la formación de un equilibrio químico y estructural.
TEMPLE
Se calienta el material hasta los 780 – 880 °C y se enfría rápidamente, esto permite la formación
de MARTENCITA que produce la dureza, esto depende de la aleación, del agente enfriador y
rapidez con que se obre.
REVENIDO
Luego del temple se calienta el material a una temperatura mayor de 721 °C (en gral. 100° - 350
°C en aceros puros), y se enfría lentamente, esto se hace para convertir el acero de alta
resistencia. Destruye la fragilidad del temple y las tensiones que en el se producen.
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23
BOLILLA Nº 02
Ensayo de materiales:
Clasificación de los ensayos:
El ensayo de los materiales abarca un panorama muy amplio, porque sus objeto puede consistir
en efectuar tanto el estudio, como el control de los materiales, si se destruye o no la probeta, y la
velocidad del ensayo, por lo tanto daremos las siguientes clasificación:
• Una primer clasificación de acuerdo a: ESTUDIO O CONTROL DEL MATERIAL
1. ENSAYOS CIENTÍFICOS: Es el ensayo que se realiza para conocer el material, por
ejemplo la determinación de su Modulo de Elasticidad, que serviría luego para los
cálculos de resistencia, deformación, etc.
2. ENSAYOS TECNOLÓGICOS: Este ensayo tiene por objeto prever el
comportamiento de un material, de un elemento estructural, ante el uso al que
serán destinado.
3. ENSAYOS DE CONTROL: Es un ensayo de comparación o un ensayo con fines de
selección, mediante este ensayo se establece un orden de preferencia de una serie
de productos destinados a un mismo fin.
• Una segunda clasificación seria de acuerdo al ESTADO FINAL DE LA PROBETA.
1. ENSAYOS DESTRUCTIVOS: Son todos aquellos ensayos en que el cuerpo de
prueba (ya sea esta una probeta, una pieza de maquina o una estructura) se
somete a cargas crecientes hasta alcanzar un estado limite tal que tanto puede
significar la rotura del material o su agotamiento, que dejaría al mismo
imposibilitado de utilizarlo posteriormente (la mayoría de los que veremos).
2. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS: En este ensayo, se trata de obtener la mayor
cantidad de información, sin impedir que los mismos puedan seguir
desempeñándose en el ámbito que le compete y con las mismas condiciones de
seguridad (ensayos de dureza, ensayos de resistencia estructural del hormigón,
utilizando el Esclerómetro o por ultrasonido).
• Una tercer clasificación seria de acuerdo a la VELOCIDAD DEL ENSAYO:
1. Estáticos: aplicación lenta y progresiva de la carga, la rotura se lleva a cabo en el
lapso de algunos minutos.
También dentro de este ensayo se puede presentar que el ensayo deba durar horas, días
o meses estaríamos en presencia de un ensayo ESTATICO DE LARGA DURACIÓN.
2. Dinámicos: cargas dinámicas, donde la rotura del material es en cuestión de
segundos o instantánea.
• Una ultima clasificación de acuerdo al TIPO DE ENSAYO:
1. Tracción: metales, plásticos, morteros, madera y tierra.
2. Compresión: metales, hormigón, plásticos y madera.
3. Flexión: metales y maderas.
4. Torsión: metales y hormigón.
5. Corte: metales, maderas y tierras.
6. Fatiga: metales, plásticos.
FATIGA
24
Si sometemos a una pieza metálica a esfuerzos variables y repetidos un gran numero de veces,
se podrá observar que la pieza se rompe bruscamente y sin que sufra deformaciones
permanentes; y con una carga inferior a la que soportaría en un estado estático; ESTO ES
FATIGA.
Actualmente se admite que la rotura por fatiga es una fractura progresiva, que se inicia en un
punto o zona de fuerte concentración de tensiones, cuyo origen obedece a irregularidades
superficiales, a cambios bruscos de forma, a la existencia de fisuras internas miscrocopicas,
defectos propios del material, tales como porosidades, escorias, impurezas.
TIPOS DE TENSIONES EN LA SOLICITACIÓN POR FATIGA
Distinguimos dos tipos fundamentales de solicitaciones.
CARGAS OSCILANTES: Los valores extremos son de signos contrarios.
CARGAS PULSATORIAS: La tensión varia entre dos valores extremos sin cambio de signo.
Cada uno de ellos admite un caso particular que nos conduce a los 4 tipos de cargas (2 en cada
tipo de carga).
CARGAS OSCILANTES
σa
σa
σ 1
σ2
σm = 0
σ1
σ m
σ2
t
+ σ
− σ− σ
+ σ
+
−
−
+
t
1°) SIMETRICO O PURO 2°) ASIMETRICO
Ciclo alternado asimétrico: tensiones distinto signo y valor.
Alternos: 1º) simétrico o puro:
( )
2
21 ss
s
−+
=m como σ1 = –σ2 ⇒ σ m = 0
∧ σa = σ1 – (–σ2) = σ1 + σ2
2º) asimétrico:
( )
2
21 ss
s
−+
=m ∧ σa = σ1 + σ2
Siendo:
σ m = Tensión media
σ a = Amplitud
CARGAS PULSATORIAS:
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25
σ 1
t
σ
σ 2 = 0
σ m
t
σ
σ m
σ1
σ2
σa
3°) INTERMITENTE 4°) ASIMETRICO
3º) Intermitente:
2
1s
s =m ∧ σa = σ1
puede ser (+) o (–), pero siempre un solo signo, su valor va desde 0 a un valor determinado.
4º) Asimétrico:
2
21 ss
s
+
=m ∧ σa = σ1 – σ2
ENSAYO DE FATIGA – CURVA DE WOHLER:
Se usan probetas a las cuales se las someten a solicitaciones simples, que producen tensiones
dinámicas, las que se repiten entre dos límites hasta llegar a la rotura.
A la probeta (ver figura), que se lo toma con las mordazas, se le imprime un movimiento de
rotación por medio de un motor, mientras se le aplica una carga conocida. La probeta queda
sometida a una flexión alternada, ya que la cual se invierte cada 180º por el giro de la probeta.
Produciéndose sobre las secciones transversales tracción y compresión en forma alternada
simétrica. Esto produce fisuras que se van propagando lentamente, reduciendo el área hasta un
punto tal en que la probeta no pueda resistir la carga aplicada y se rompe.
PROBETA
26
MAQUINAENSAYOFATIGA
Estudiando el caso de flexión rotativa se comprueba que al aplicar a la probeta un peso que
origine un esfuerzo ligeramente inferior al de rotura por tracción y esto acontece en pocos giros o
ciclos, repitiendo la experiencia sobre probetas iguales, del mismo material y bajo las mismas
condiciones, pero con disminuciones progresivas de la carga, las fracturas se producen al cabo de
un Nº cada vez mayor hasta llegar a un peso en que los esfuerzos toman valores tales que la
rotura tiene lugar para varios millones de ciclos, que se pueden considerar infinitas. A este valor
del esfuerzo, bajo el cual el material no se rompe al aumentar indefinidamente los ciclos, se lo
denomina LIMITE DE DURACION O RESISTENCIA DE FATIGA por lo tanto definiremos.
RESISTENCIA A LA FATIGA: Es la máxima amplitud (σa) que superpuesta en ambos sentidos a
la tensión media (σm) estática, actuando un numero ilimitado de reiteraciones no provoca la rotura
a la probeta ni una deformación plástica superior a la admisible.
Límite convencional mayor a 2x10
6
= el material no se rompe.
Al Nº mínimo de ciclos, bajo el cual el material no rompe se lo llama “ Nº límite de solicitaciones o
ciclos ” y corresponde al límite de fatiga o duración.
Con los datos de cada uno de los ensayos, los cuales trasladaremos a un eje de coordenadas,
indicando la σmax y el N° de ciclos a la que fallo, obtendremos diferentes puntos por los cuales
trazaremos en forma compensada una curva, obteniendo así la CURVA DE WOHLER.
La curva de Wohler, no da la exactitud de las propiedades mecánicas del material, pero sí
indica la resistencia en tiempos u horas de vida que tendrá el metal cuando se lo somete a
esfuerzos superiores que al de la resistencia de fatiga que posee.
N=N° DE CICLOS
σF
σ MAX
CURVA DE WOHLER
Resistencia a la fatiga
La curva es asintotica paralela al N° de ciclos,
a medida que disminuye el esfuerzo
σ est.
Cuando el N° de ciclos del ensayo es igual a cero, estamos indicando la tensión estática (σest), ya
que no hay giro de la probeta, por lo tanto es la tensión de flexión.
DIAGRAMA DE FATIGA
Cada curva de Wohler representa los ensayos de fatiga realizados con una misma tensión media
y diferentes amplitudes. Por lo tanto constituye solo la representación parcial de un ensayo de
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27
fatiga. Otras condiciones de ensayo dan lugar a otras tantas curvas de Wohler, que corresponden
a distintas zonas de solicitación.
Resulta así de interés trazar un solo diagrama que reúna las relaciones entre las tensiones
medias, las amplitudes y las tensiones máximas y mínimas, así como las condición limite de la
resistencia estática.
Sobre un sistema de coordenadas ortogonales, con igual escala, se toma sobre el eje de las
abscisas las tensiones medias y sobre el de ordenadas las tensiones máximas (σ1) y mínimas
(σ2), medidas a partir de una línea trazada a 45° a partir del punto 0 de coordenadas, que me
indicaría la tensión media (σm). Al mismo tiempo, dicha recta divide en partes iguales a la tensión
de amplitud (σa).
Para la construcción practica de este diagrama (siempre basándonos en la curva de Wohler), en
cada punto de la línea a 45° que corresponde a un ensayo de Wohler en que las tensiones medias
(σm) es constante para cada curva, se ubica hacia arriba y hacia abajo el valor del limite de fatiga
σF obtenidos en ese ensayo, luego de varias proyecciones de los distintos ensayos, unidos entre
si estos punto, proporcionan las dos curvas limites del diagrama de SMITH (σ1, σ2).
Los puntos ubicados dentro de la entre ambas curvas (zona rayada), corresponden a ensayos de
fatiga en que la probeta no rompen; todos aquellos puntos ubicados fuera de esas curvas
representan a probetas que rompen por fatiga.
Donde ambas curvas se cortan, punto D, σa = 0, por lo que se tiene la tensión de rotura estática
(σR) -que seria el que se obtiene en el ensayo de tracción-. Pero para fines prácticos no es
aconsejable trabajar con este limite de tensión, por lo que se adopta como limite el limite de
fluencia (σe).
Para ello se marca σe en ordenadas y se traza una horizontal, donde dicha horizontal corta la
curva (punto A) se proyecta ese punto a la curva inferior (punto B), se continua la horizontal hasta
cortar a la línea a 45° y obtenemos el punto C, por ultimo unimos el punto C con B, quedando así
delimitado el diagrama con respecto a la tensión de fluencia.
En este diagrama quedan reflejados todos los tipos de cargas que hemos definido al inicio de este
tema.
+σ (tracc)
−σ (comp)
Tipo1
Tipo 2 Tipo 4
Tipo3
σ e
σ R
σ1
σ
2
σa
σ
m
σ (tracc)
CA
B
D
Efectos que varían la resistencia de fatiga:
a. Efecto del tratamiento térmico: los valores de la fatiga varían con la composición del metal,
estructura del grano y tratamiento térmico. Con este se comprobó que los aceros de
aleaciones y de alto porcentaje de C mejoran su resistencia a las tensiones repetidas en hasta
un 22% al ser tratadas térmicamente.
b. Terminado de las superficies: es muy importante, así las que están pulidas al máximo,
presentan mayor vida que las de pulido corriente y estas ofrecen mayor resistencia que las
28
torneadas. Por trabajar en el torno, la resistencia de fatiga disminuye como consecuencia del
arranque de viruta que afecta a la superficie del metal.
c. Efectos de la entalladura: las experiencias de Moore y Kommers demuestran que la fatiga
disminuye un 65% cuando se efectúa en el centro de la probeta una entalladura en V con un
ángulo de 30º. Así la relación entre la resistencia obtenida sobre una probeta lisa con la de la
probeta entallada permite determinar un coeficiente de forma Kf que dependerá del material y
forma de la ranura.
Kf =
entalladaprobetalasobrefatigadetensión
lisaprobetalasobrefatigadetensión
d. Efecto de la corrosión: si la probeta es atacada por un agente corrosivo (agua dulce o salada)
la resistencia experimenta una disminución.
e. Efecto del trabajo previo.
f. Efecto de la frecuencia y del tamaño de la pieza.
g. Efecto del método de ensayo.
Determinación del tiempo de fraguado del cemento:
Fraguado: proceso químico que tiene lugar cuando el agua se combina con el cemento.
El tiempo de fraguado se puede dividir en 2 períodos: inicial: tiempo que trascurre desde el
momento en que se agrega el agua, hasta que la pasta dejo de ser fluida. Final: fraguado
propiamente dicho, se obtiene cuando el material adquiere cierta dureza.
Cementos de
Para determinar los tiempos es necesario, llenar el molde del aparato de Vicat con una pasta de
consistencia normal, fijándose como comienzo del fraguado al tiempo que transcurre desde el
momento en que se agrega agua al cemento hasta que la aguja de 13 mm de diámetro, y de peso
total de 300 gramos, atraviese el molde que contiene la pasta o bien se detenga a 0,5 mm de su
escala.
El tiempo final se tomará desde el instante que deja de cumplirse lo anterior hasta que la aguja
penetre en la pasta 1 mm (el período termina en el momento en que la aguja deje restos apenas
visibles).
Los tiempos de fraguado se ven afectados por la cantidad de agua de la mezcla, por su
temperatura y por la humedad.
SOPORTE PARA SONDA
DE TETMAJER O VICAT
Preparación de las probetas:
Se debe homogeneizar el cemento y separar los agregados según su granulometría, para
mezclarlos en el pastón de prueba.
Fraguado rápido: período inicial en no menos de 2 minutos y final en no más
............................de 3 horas.
Fraguado lento o normal: tiempo inicial no menos de 45 minutos ni mayor de
..........................................3 horas y el final no pase de 10 horas.
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29
La resistencia del hormigón resulta del promedio de 3 ensayos, por lo que se deben preparar 4 o 5
probetas del mismo material.
El pastón se obtiene mezclando cemento y agregados (en un recipiente limpio e impermeable)
hasta la obtención de un color uniforme, luego se vierte el agua estipulada.
La probeta se prepara colocando en los moldes 3 capas de material de volúmenes aproximados,
las que se apisonan con una varilla de punta redonda. Una vez apisonadas y alisada la capa
superior, se tapa el molde para evitar la evaporación del agua y luego de 3 o 4 horas se efectúa el
encabezado de la probeta (agregado de una capa de mortero de cemento sobre su superficie). El
terminado del mortero debe ser del menor espesor posible y no debe desprenderse, ni rajarse
durante el ensayo.
INDICE DIESEL
Es igual al producto del punto de anilina del combustible, por su densidad expresada en grados
API, dividido por 100, siendo el punto de anilina la mínima temperatura a la que son totalmente
miscibles volúmenes iguales de anilina e hidrocarburo.
En los combustibles ordinarios el índice diesel varia entre 35 y 75.
Expresa la facilidad de inflamación.
Nº cetano:
Medida de la calidad de ignición de los combustibles para motores diesel. El Nº cetano es igual
al porcentaje de cetano (hidrocarburo líquido) en una muestra de referencia de calidad de ignición
igual al de la muestra que se ensaya.
Nº ceteno:
Medida de la calidad de ignición de los combustibles de motores diesel. No es utilizado pues ha
sido reemplazado por el N° Cetano.
1 unidad ceteno = 0,875 unidad de cetano
Ley de las fases - Ley de Gibbs:
Alotropía: propiedad en virtud de la cual un elemento puede existir en 2 o más formas con
distintas propiedades (estado cristalino, peso específico, propiedad magnéticas).
Las propiedad de los elementos experimentan variaciones bruscas a determinadas Temperaturas,
llamadas temperaturas críticas y la presencia de sustancias extrañas pueden influir mucho sobre
la temperatura en que se verifican esas discontinuidades.
Ley de las fases:
El equilibrio químico de una mezcla de un numero cualquiera de elementos o sistemas químicos,
depende de un cierto numero de factores independientes cuya variación puede dar lugar a
cambios de estado o de constitución.
Se consideran como factores independientes, la presión y la temperatura. En metalurgia y en
estudios metalograficos los efectos de la presión se consideran despreciables; por lo tanto,
tenemos como único factor independiente, la temperatura.
Haciendo variar cualquiera de estos factores, variaran las condiciones de equilibrio del sistema.
(Se dice que un sistema esta en equilibrio, cuando todas sus variaciones o modificaciones
internas han cesado). Si se hiciera variar uno de los factores mencionados, se producen
reacciones en el interior del sistema, hasta alcanzar el nuevo estado de equilibrio. Por ejemplo si
se hace una mezcla de agua y sal, el agua disolverá una cierta y determinada cantidad de sal y el
resto de la sal quedara en estado sólido dentro del agua. El sistema entonces estará en equilibrio.
Si se hace variar la temperatura de la mezcla, se producirá una nueva disolución o precipitación
de sal (según la temperatura aumente o disminuya) hasta que la mezcla alcance un nuevo estado
de equilibrio.
30
En este ejemplo podemos considerar la temperatura como una variable independiente, y la
cantidad de sal disuelta para que la mezcla se encuentre en equilibrio, como una variable
dependiente de la primera.
FASES:
Se llama fase de un sistema la parte de dicho sistema diferenciable físicamente y separable por
medios mecánicos; se puede decir que fase es toda parte homogénea, de un conjunto
heterogéneo. Así un sistema homogéneo, esta constituido por una sola fase; en cambio otro
heterogéneo esta formado de varias fases. El ejemplo anterior de agua y sal es un sistema con
dos fases; la sal sólida y la solución de agua – sal.
Otro ejemplo seria. El agua liquida, el hielo y el vapor de agua, son las tres fases en que puede
presentarse la sustancia agua. A 0 grado y presión ordinaria se puede conseguir un sistema a dos
fases, formado por agua liquida y hielo.
GIBBS ha dado la expresión matemática de la ley de las fases, la cual permite fijar el grado de
libertad de un sistema, es decir, el numero de factores independientes que se pueden variar
arbitrariamente, sin que el equilibrio del sistema varíe (el numero de fases se altere).
La ley de las fases se representa por la ecuación:
j−+= )1(nv
donde:
v = representa los grados de libertad del sistema.
n = El numero de compuestos independientes.
ϕ = El numero de fases.
Se llama compuestos independientes los cuerpos en que se puede hacer variar arbitrariamente la
masa, sin cambiar la definición del sistema.
Cabe aclarar que la expresión de la ley de las fases, escrita mas arriba, se encuentra ya
simplificada en lo que a los factores de equilibrio se refiere, pues en la expresión general de dicha
ley:
j−+= )( pnv
se ha sustituido a p (números de factores de equilibrio) por el numero 1, al considerar únicamente
como tales a la temperatura, despreciando a la presión y a todos los demás factores de menor
importancia (campo magnético, fuerzas capilares, etc)
Cuando v<0: el equilibrio del sistema es imposible, tal seria el caso de un cuerpo bajo los tres
estados (sólido, liquido y gaseoso), el equilibrio no es posible para cualquier temperatura.
Cuando v=0: el equilibrio subsiste a una sola temperatura que seria la del punto de fusión o de
transformación. El sistema que esta en equilibrio para esa temperatura es también perfectamente
definido (INVARIANTE).
Cuando v>0: el equilibrio subsiste a muchas temperaturas, pero para que el sistema sea definido
es necesario conocer además de la temperatura, la proporción de un constituyente en n-1 fases o
la proporción de n-1 constituyentes en una fase.
Cuando v = 1 (MONOVARIANTE)
Cuando v = 2 (BIVARIANTE)
APLICACIÓN DE LA LEY DE LAS FASES:
Caso de un metal puro: (n=1)
Si consideramos una sola fase, metal sólido por ejemplo:
ϕ= 1
luego aplicando la ley:
1111 =−+=v >0
El equilibrio subsiste a varias temperaturas.
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31
(puntos A-P en liquido y puntos F-B en sólido)
Considerando dos fases: Metal sólido y liquido simultáneamente
ϕ=2 resulta
0211 =−+=v
El equilibrio subsiste a una sola temperatura, que es la fusión del metal (Puntos P – F).
Si las fases fueran tres:
ϕ=3 se tiene
1311 −=−+=v <0
El equilibrio es imposible.
Temp. de
fusion = T
F
P
SOLIDO
tiempo
LIQUIDO
T°
L=1+1-1=1 (univariante)
L = 1+1-2=0 (invariante)
L=1+1-1=1 (univariante)
A
B
CURVA ENFRIAMIENTO METAL PURO
Caso de una aleación binaria: (n=2)
Si consideramos tres fases estas pueden subsistir a una sola temperatura, pues resulta v=0. El
sistema no admite ningún grado de libertad para la variable independiente. Por ejemplo la aleación
Bismuto – Estaño, a una temperatura fija (143 °C) puede subsistir en tres fases simultáneamente:
bismuto sólido, estaño sólido y una mezcla liquida de estaño y bismuto; si se varia la temperatura
se rompe el equilibrio.
Si suponemos el caso de dos fases (aleación liquida y aleación sólida) ϕ=2, entonces v=1;
tendremos un grado de libertad, es decir, que podemos variar la temperatura entre ciertos limites,
subsistiendo siempre las dos fases: liquida y sólida.
Se entenderá mejor pensando en el ejemplo agua y sal, en el cual deseamos que subsistan
simultáneamente las dos fases, es decir, agua con sal disuelta (fase liquida) y sal sólida (fase
sólida). Tenemos n=2, ϕ=2, resultando v=1. Podemos por lo tanto variar la temperatura del
conjunto dentro de ciertos limites, y las dos fases siempre subsistirán, pero para cada temperatura
se producirá una concentración única y definida de la sal en el agua.
(E) Eutéctica: mezcla cristalina que funde a una temperatura menor a la de sus componentes.
Los metales constituyentes son parcialmente miscibles al estado sólido. Realizamos el análisis
aplicando la regla de las fases.
32
A
T°
Q'Q
T
T'
P'
F
F'
E
P
N
N'M'
M
B C D
S'
sol. solida
sol. solida univariante
I - aleacion liquida
K
III - sol. y liq.II - sol. y liq.
%C
sol. solida
Ι) La región delimitada por QEQ´ (zona Ι) hay una sola fase; la fase líquida; el sistema es bi-
variante, la temperatura y la concentración varían sin que se varíe el equilibrio, es decir sin que se
solidifique.
v = 2 + 1 – 1 = 2
Para una aleación K, cuando alcanza el punto F, el líquido comienza a solidificarse y hay 2 fases
(1 sólida y otra líquida) ⇒ el sistema es UNIVARIANTE.
v = 2 + 1 – 2 = 1
Si desciende la temperatura de T a T´, la fase líquida varía de F a F´ y la solución en equilibrio con
aquella de P a P´. En (ΙΙ) y (ΙΙΙ), las aleaciones forman un sistema UNIVARIANTE por lo tanto al
variar la temperatura se origina una modificación de la concentración y viceversa.
En el punto E “ eutéctico “ coexisten 3 fases (2 sólidas y 1 líquida) el sistema no tiene ningún
grado de libertad.
v = 2 + 1 – 3 = 0
En las zonas de AQSB y DQ´S´C el sistema tiene 2 grados de libertad y existen solo una fase
sólida.
v = 2+1-1=2
En la zona BSS´C están presentes 2 fases (solución Q y otra Q´) el sistema es UNIVARIANTE.
v = 2+1-2=1
Aleaciones livianas: (de gran dureza, pero peso liviano)
Se llaman así a las aleaciones de aluminio (Al). Tienen gran importancia en la construcción. Estas
aleaciones se fabrican por fusión en hornos de crisol o en hornos a inducción de baja frecuencia,
pueden laminarse.
Ejemplos:
Aleaciones con hasta 12% de Cu para pistones.
Aleaciones con hasta 10% y 13% de Si para fundir piezas de formas complicadas.
Aleaciones con Mg para piezas laminadas y perfiles.
Aleaciones con Zn para piezas de poca importancia.
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BOLILLA Nº 03
ENSAYOS ESTÁTICOS
Máquinas de ensayo: las máquinas empleadas para los ensayos de tracción de barras y perfiles
son del tipo “universal” y pueden adoptarse a experimentos de compresión, flexión, corte y torsión.
Las más utilizadas: Amsler 50 tn, Riehle de 12,5 tn y Mohr-Federhlf de 200 tn.
Estás máquinas constan de:
• Prensa hidráulica.
• Bomba de aceite con inyección regulada.
• Dinamómetro (instrumento para medir fuerzas o potencias), registrador de carga y
diagrama.
MAQUINA UNIVERSAL
PROBETA EN
COMPRESION
PROBETA EN
TRACCION
PISTON
DIAL DE CARGA
DEFORMACIONES PLASTICAS
Continuando el estudio que se inicio en la bolilla 1, en Relación Esfuerzo-Deformación,
seguiremos con el grafico de Esfuerzo-Deformación del acero para conocer ahora la ZONA
PLASTICA, y sus características.
34
DEFORMACIONES
ZONA II
plastico
ZONA I
elastico
ESFUERZOS
F MAX
∆LMAX
A = límite de elasticidad o proporcionalidad.
B = límite de elasticidad práctica.
C = límite inicial de fluencia.
D = límite final.
E = carga máxima.
F = rotura de la probeta.
Zona Ι = período elástico. (Estudiado en bolilla 1)
Zona ΙΙ = período plástico. (Estudiaremos este caso)
1 = Zona elástica. La deformación es proporcional a la carga y desaparecen al cesar dicha carga.
2 = zona de alargamiento permanente. El tramo AB se confunde con la recta inicial, en B se
obtiene la máx. tensión hasta la cual el alargamiento permanente es tan pequeño que se lo puede
considerar prácticamente elástico.
3 = zona de fluencia.
4 = zona de alargamiento homogénea después de D en toda la probeta, por efecto de
deformación hay un endurecimiento, acritud hasta E, donde adquiere la carga máxima.
5 = zona de estricción, la acritud subsiste pero hay una disminución de secciones transversales y
la carga disminuye hasta la rotura.
Tramo CD: el material fluye o cede sin que aumentara la Tensión hasta D, pasando D con ayuda.
• El límite teórico de elasticidad: se determina con un extensómetro, que mide la
deformación en la zona de rotura; se somete a la rotura con sucesivos esfuerzos
crecientes y entre 2 estados de cargas se descargo verificando si se produjeron
alargamientos permanentes. “ La mayor tensión que se alcanzo es el límite”.
• El límite aparente de elasticidad: se establece determinando el límite de fluencia:
1)directamente en el diagrama, la tensión que corresponde al límite de fluencia; 2)
observando si la aguja de la máquina sufre algún retroceso o se detiene (en la práctica).
Durante el ensayo de tracción, si se descarga la probeta, luego de alcanzar la zona plástica (A),
pero antes de producirse la ruptura, la curva σ −ε cambia de forma. La longitud de la probeta
tiende a recuperarse (RE), pero no alcanza la longitud inicial, quedando con una longitud mayor,
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que se denomina deformación permanente (DP). A nivel gráfico, la curva se devuelve con la
pendiente de la zona elástica.
σ
0 ε
A
DESCARGA
CARGA
DP RE
DT
Finalmente, si la curva σ - εdel material no presenta claramente dónde termina la zona elástica y
comienza la zona plástica, se define como punto de fluencia al correspondiente a una deformación
permanente del 0,2%. La Figura ilustra lo anterior, mostrando el diagrama de esfuerzo contra
deformación para cobre policristalino.
Región elástica y región plástica inicial que muestra el límite de fluencia para una
deformación permanente de 0,2%.
36
Para determinar el limite de proporcionalidad trazamos una recta acompañando la recta inicial del
diagrama, en el punto donde dicha recta se separa del diagrama seria el limite de
proporcionalidad, que seria el limite de la zona elástica y donde comenzaría la zona plástica, luego
marcamos sobre el eje de εel 0,2 % de deformación (en función a la longitud inicial de la probeta)
y trazamos otra recta paralela a la de proporcionalidad, al cortar el diagrama estamos en el punto
de fluencia buscado.
ENSAYOS DE CHOQUE
La mayoría de los ensayos no me indican la fragilidad del material, o sea de romperse cuando son
sometidos a choques bruscos, como en la actualidad se esta utilizando el material al máximo,
reduciendo en lo posible las dimensiones de las piezas, muchas de ellas perfectamente
calculadas al esfuerzo estático, se romperían por efecto de la brusca variación de los esfuerzos.
Por lo tanto se debe conocer la forma de responder el material a este efecto. Esta propiedad del
material se denomina RESILIENCIA, que seria la ausencia de fragilidad.
Máquinas de ensayo de choque:
Se agrupan en: pendulares, de cabeza giratoria, y de impacto vertical.
• Pendulares: impacto con una masa o martillo oscilante. Las más conocidas: Charpy, Izod y
Oxford en la cual el péndulo y la masa son suspendidos por medio de alambres para evitar
la pérdida de energía debido a la fricción y vibraciones; lo que sucede en las 2 anteriores a
esta.
• De cabeza giratoria: Guillery, está compuesta por una rueda con el dispositivo de impacto,
la energía de choque se mide según un dispositivo hidráulico.
• De impacto vertical: Fremont y Turmer estas producen la rotura por medio de una masa
que rompe a la probeta por flexión o compresión.
ENSAYOS DE FLEXION POR CHOQUE:
Los elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de carga sufren
rotura instantánea al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad.
Por lo tanto los ensayos de choque me determinan la capacidad del material de absorber esa
carga de impacto (resistencia al choque) y además comprueba si una máquina o estructura fallara
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por fragilidad bajo condiciones de trabajos; en especial si hay concentraciones de tensiones, por
cambios bruscos en la sección, o maquinados incorrectos.
METODO DE FREMONT:
Consta de una cuchilla (C) con masa (M) de 10 – 15 kg con una caída de 4 m, la cuchilla de un
largo tal que rompa la muestra sin que la masa (M) toque la plataforma (P); Luego de rota la
probeta, la masa (M) continua su caída golpeando la plataforma, deformando los resortes R, dicha
deformación se indica en el dial, dándome la fuerza residual, que por diferencia con la inicial me
indica la fuerza de rotura.
MAQUINA DE FREMONT
M
C
10 - 15 kg
R
P
DIAL
PROBETA
8 x 10
MÉTODO DE CHARPY:
La probeta es como la indicada en la figura, la maquina es pendular con un peso W, le damos un
ángulo de lanzamiento α y se suelta dicho peso para que golpee la probeta, rompiéndola, el peso
continua su recorrido marcándome un nuevo ángulo β, con estos ángulos podemos obtener las
energía antes del golpe y luego del mismo, que por diferencia de estas energías obtenemos la
energía necesaria para romper la probeta.
W β
a'
a
L
PROBETA
W
160
2
13
diam 4mm 30x30 mm
MORDAZA
PROBETA
b
o
W = peso del martillo
L = distancia del centro de oscilación
α = ángulo inicial
β = ángulo después fractura
38
1. altura caída martillo = acosLLab −=
energía del martillo antes del golpe:
)cos1(.)cos(1 aa −=−= LWLLWW
2. altura martillo luego del golpe = bcos' LLba −=
energía después del golpe:
)cos1(.2 b−= LWW
3. energía absorbida por el golpe:
)cos(cos.21 ab −=⇒−= LWWfWWWf
Se debe tener en cuenta la energía desperdiciada por rozamiento durante el ensayo, para ello
debemos hacer trabajar el péndulo sin probeta, obteniendo α y β de rozamiento, obteniendo:
)cos(cos. ab −= LWWfr
Que se descontara del Wf del ensayo.
FLEXIÓN POR CHOQUE DE BARRAS EMPOTRADAS (METODO DE YZOD):
1º) La probeta se coloca en voladizo, en posición vertical, sujeta por la mesa de apoyo. La
entalladura queda en el plano de las mordazas. El martillo golpea a 22 mm.
2º) Cuando tengo probetas circulares, la ventaja es que puedo colocar la energía de rotura sobre
las caras o generatrices opuestas y a distintas profundidades de la muestra, las máquinas más
usadas son las del tipo pendular (Amster).
MAZA
PENDULAR
MORDAZA
PROBETA
PROBETA
VALORES DE CHOQUE O RESILENCIA (ρ )ρ )






===
2)2(sec
)(
cm
Kgm
cmcion
KgmTabajo
S
t
r
S = sección deducida la entalladura
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39
ENSAYOS DE MADERAS
Los ensayos de maderas son variados y varios de los casos de forma perpendicular a la fibra y/o
transversal a la misma, esto se debe a las diferentes formas que se hace trabajar a las piezas de
madera, por ejemplo en esta cabriada tenemos varios ejemplos de las distintas solicitaciones que
trabajan.
TRACCION // A LA FIBRA
COMPRESION // A
LA FIBRA
COMPRESION
PERP. A LA FIBRA CIZALLAMIENTO // A LA FIBRA
COMPRESION
PERP. A LA FIBRA
RESISTENCIA A LA FLEXION:
Este es el ensayo más importante. Se realiza en forma perpendicular a las fibras, ya que la
mayoría de las piezas a utilizar en estructuras trabajarían de esta forma por la manera de cortar
los árboles, ya que las piezas solicitadas a flexión normalmente son largas, esto implica que las
cortarían a lo largo del tronco. La probeta es de sección cuadrada de 5 x 5 cm y 75 cm de largo,
los apoyos se ubican a 2,5 cm de los bordes, quedando una luz de 70 cm; de modo que se
comporte como una viga simplemente apoyada, el peso P se aplica en el centro de esta luz, se da
una carga inicial de 5 a 10 kg, para fijar la probeta en sus apoyos, que con el objeto de permitir el
libre desplazamiento de la probeta son de forma de rodillos. y luego se aumenta la carga en 50 kg
y de allí en forma progresiva se va aumentando la carga hasta la rotura, a medida que se va
aplicando la carga se va anotando su flecha (deformación), en el grafico al principio va dando una
recta, hasta el momento en que la probeta empieza a ceder (es el periodo elástico) en el cual en el
grafico da una curva y luego sobreviene la rotura.
70 cm
CARGA
5 x 5 cm
ENSAYOS DE TRACCIÓN:
Este ensayo se efectúa en sentido paralelo a la fibra, se utiliza la maquina universal, de este
ensayo queda la desventaja del aplastamiento o cortadura que experimenta el material al ser
tomado por la mordaza o sistema de sujeción de la maquina de ensayo, que provoca
generalmente la rotura fuera de la zona calibrada (1/3 medio de la probeta). Con el objeto de
eliminar este inconveniente, las probetas se construyen con extremos muy ensanchados con
respecto a la parte calibrada (como el de la figura).
40
Bajo esfuerzos de tracción axial, las fibras de las maderas actúan en mejores condiciones que en
los casos de compresión. Las deformaciones que experimenta la madera sometidas a cargas
paralelas son muy pequeñas, sobreviniendo la rotura en forma instantánea al destruirse algunas
de las fibras de una sección, que será la de fractura, presentándose esta en forma astillada.
ENSAYOS DE COMPRESIÓN:
La resistencia a la compresión se determina sobre probetas cúbicas de 5 cm de lado en el sentido
paralelo a las fibras, y en sentido perpendicular a las mismas.
Sentido perpendicular a las fibras:
PLACA DE ACERO
5
5
5
15
Sentido Paralelo: En la figuras se ven distintas formas de fallas en las probetas.
ENSAYO DE CORTE:
El ensayo de la madera al corte, se realiza en el sentido perpendicular a las fibras y en el sentido
paralela a las mismas, por una maquina que sujeta la probeta sin producir flexión. El corte de la
probeta puede hacerse en una sola sección, a modo de tijera, o en dos secciones diferentes, en
que la distancia entre los apoyos debe ser exactamente el espesor de la pieza superior que
producirá el corte.
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Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli
41
5
1.9
5
6.25 5
CARGA
PLANO DE
CORTE
PROBETA
HERRAMIENTA PARA CORTE
Dureza:
Estos ensayos me dan las características físico-mecánicas de la madera; de modo que las puedo
clasificar en duras, semi-duras, blandas y muy blandas.
Métodos:
Brinell: determina la relación entre la carga aplicada a una bolilla de acero y la superficie de
penetración que experimenta el material. El diámetro de la bolilla = 10 mm; carga 100 a 500 Kg.
Janka: mide la dureza por la carga que requiere un penetrador esférico de 11,21 mm de
diámetro., Para introducirse hasta su sección media o sea obtener una flecha igual a su radio.
Módulo de elasticidad de la flexión:
Uno de los objetos del ensayo de flexión, es el de determinar el modulo de elasticidad longitudinal
de la madera, al emplearse la probeta sometida a una carga concentrada aplicada en su punto
medio, la determinación de la flecha se realiza mediante la siguiente ecuación de la elástica.
IE
lp
f
.
.
.
48
1 3
= ⇒ para una sección rectangular
12
. 3
hb
I =
remplazando nos queda:
3
3
..
.
.
4
1
hbf
lP
E =
Las cargas y las flechas deben tomarse en el período elástico.
Hornos de cubilotes:
Es un horno a eje vertical, denominado horno de cuba, en el cual se coloca por capas alternadas
el combustible y el metal a fundir, por la parte inferior se inyecta aire a presión por medio de
toberas para activar la combustión
Esta formado por una envoltura cilíndrica de chapa de acero dulce (remachado o soldado
eléctricamente). Esta envoltura esta revestida interiormente con mampostería refractaria para
protegerla de las altas temperatura. Consta de las siguientes partes:
1. Parte de sostén: por lo general, son columnas metálicas o tubos que sostienen el cubilete. (4
columnas).
42
2. Cámara de viento: a la cual llega el aire proveniente de un ventilador y se reparte en el
espacio anular para penetrar en el horno, pasando por las toberas, dispuestas en una o dos
filas paralelas.
3. Boca de carga: por la cual se introducen los materiales.
4. Plataforma: donde se colocan los materiales que llegan a ella por medio de montacargas.
5. Chimenea: se encuentra en la parte más alta para la evacuación de los humos, defendida en
la parte superior por un sombrerete y telas metálicas para evitar la salida de las chispas.
BOCA DE CARGA
CHIMENEA
PLATAFORMA DE CARGA
ESCORIADERO
CANAL DE COLADA
ENTRADA AIRE
CRISOL
SOSTEN
CINTURON DE
AIRE
INTERIOR DEL
HORNO
TOBERA
MIRILLA
BOQUILLA
TIMPA
PORTAVIENTO
TOBERAS
Las cargas se componen de tres elementos. fundición, coque y fundente
Su funcionamiento es el siguiente, denominaremos solera al fondo del cubilote, formada por un
revestimiento refractario, sobre una puerta a bisagra que la sostiene, la capacidad del metal
liquido que puede acumularse, esta dada por el volumen formado desde el fondo hasta un
escurridero denominado ESCORIADERO que permanece siempre abierto y por el cual salen las
escorias liquidas que sobrenadan.
El volumen formado desde el fondo hasta la 1° fila de toberas, se denomina CRISOL. En esta
zona cuela el metal liquido que se acumula, la salida de la escoria ya es un indicio del nivel de la
fundición, la salida del metal por el escoriadero indica que el crisol esta colmado y que es
necesario efectuar una sangría. La sangría se hace por el canal de colada. Este canal esta
ligeramente inclinado para facilitar la salida del metal liquido. El metal sale por un agujero cerrado
por un tapón de arcilla cuando el horno esta en funcionamiento. Por encima del escoriadero se
encuentran las toberas, a través de las cuales circula el aire a la presión indispensable para
mantener la combustión. Las toberas se comunican con las cajas de viento o cámaras de aire. La
Zona de fusión esta compuesta por tres partes
1. Zona de fusión propiamente dicha.
2. Zona de combustión
3. Zona de colada
En la zona de fusión la temperatura es tan elevada que la fundición al entrar en ella funde gota a
gota, la atraviesa y se acumula en el fondo del crisol.
El cubilote se carga previamente con cierta cantidad de combustible, (carga de encendido), hasta
alcanzar a llenar el crisol y la zona de las toberas. Las cargas se completan luego con
combustible, fundente, chatarra de fundición y lingotes de arrabio. Realizado el encendido y luego
de calentado todo el horno se completa la carga, recién después de activar la combustión
mediante el aire a presión proveniente de las toberas.
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43
El combustible de encendido que se consume es reemplazado por las cargas nuevas, las capas
de coque, dilatándose se traban contra las paredes del cubilote máxime cuando existe una
disminución del diámetro en las zonas de las toberas.
Alcanzado el estado de fusión mediante una activación de la entrada de aire por las toberas el
metal cuela y se acumula en el crisol, las escorias sobrenadan y salen por el escoriadero.
Para retirar el metal fundido se rompe el tapón de arcilla que cierra el agujero de sangría, se
recoge el metal con la cuchara y se vuelve a taponarse con nuevos tapones.
Clasificación de las fundiciones:
Son aleaciones de Fe y C.
El origen de la fundición es el arrabio, fundición de 1º fusión entonces se clasifican en:
A. Fundición de altos hornos: arrabio obtenido de los minerales de Fe directamente.
B. Fundición de 2º fusión: es la que ha sido refundida una o más veces en un horno de cubilete,
para obtener piezas de fundición y coladas en moldes.
C. Fundición especial: uno o varios elementos aleatorios.
La clasificación es basándose en el aspecto o color de la superficie es:
• Fundición blanca: es basándose en el tenor de Mg.
• Fundición gris: es basándose en el tenor de Si.
D. Fundición maleable: aumenta el grado de tenacidad y resistencia a la rotura, con un sensible
grado de deformación y es relativamente fácil de obtener.
Tipos:
• Maleable blanco: más rica en C; se hacen piezas de 3 a 4 mm de espesor.
• Maleable negra: más pobre en C; se hacen piezas de 4 a 5 mm hasta 30 a 40 mm de
espesor y aun mayores.
44
BOLILLA Nº 04
TRACCION
Cuando a un cuerpo le aplicamos cargas normales, uniformemente repartidas, sobre sus
secciones transversales tiende a producirse el alargamiento.
Con este ensayo se puede verificar el comportamiento de los metales:
Se determina su tenacidad, resistencia, dureza, etc.
Podemos obtener: límite de elasticidad, carga máxima, resistencia estática y con estos valores
hallamos la σ adm o de trabajo.
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.
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.
Tener en cuenta que la grafica durante el ensayo se indica en ordenadas (Y) fuerzas en kg y
en abscisas (X) alargamientos en mm.
P P
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45
γ
F1
∆ 1 DEFORMACIONES
ZONA II
plastico
ZONA I
elastico
ROTURA
FUERZA
Fmax
Ff
Fe
gráfico obtenido en una máquina de ensayo de tracción para un acero.
Curva Fuerza - Deformación de un Acero.
La curva tiene 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.
Se tiene entonces que en la zona elástica se cumple:
F = K (L - Lo)
F= fuerza K= cte del resorte
L= longitud bajo carga Lo= 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. Deja de ser válida nuestra fórmula F = K (L -
Lo) 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 y la fuerza que lo produjo la designamos
como:
F = Ff
Una vez pasado el punto de fluencia la deformación durante el ensayo seria DT, si en ese instante
suspendemos el ensayo, y retiramos la carga, la probeta tratara de recuperar su longitud inicial,
pero como ya estamos dentro del periodo plástico, esta se recuperara en parte, retrocediendo la
46
deformación en el diagrama en forma paralela al tramo de proporcionalidad (OA) e indicándome
que quedara una deformación permanente (DP), y se recuperara algo en su longitud, ya que aun
parte de la probeta se comporta elásticamente (RE).
Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un
máximo en F = Fmáx. Entre F = Ff y F = Fmáx la probeta se alarga en forma permanente y
repartida a lo largo de toda su longitud. En F = Fmáx la probeta muestra su punto débil,
concentrando la deformación en una zona en la cual se forma un cuello (ESTRICCION).
La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la carga deje de subir. Al
adelgazarse la probeta la carga queda aplicada en menor área, provocando la ruptura.
Estricción: reducción de la sección de un cuerpo cuando está sometido a una tracción suficiente.
forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a
la carga máxima y luego de la ruptura.
Considerando una probeta cilíndrica: Ao = πDo
2
/4 (SUPERFICIE TRANSVERSAL)
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 y el diámetro final Df , que nos dará el área final Af .
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Materiales

  • 1. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE FACULTAD DE AGROINDUSTRIAS DEFORMACIONES γ ZONA I elastico σ1 ESFUERZOS ZONA II plastico ε1 MAQUINA UNIVERSAL PROBETA EN COMPRESION PROBETA EN TRACCION PISTON DIAL DE CARGA PROFESOR : ING. ENRIQUE ANIBAL BURLLI ING. DARDO BARRERA EDICIÓN 2002
  • 2. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 1 ... APROBADO POR RESOLUCIÓN N° 174/91 – C.D. CONOCIMIENTO DE MATERIALES PROGRAMA ANALÍTICO TEMA 1 : DEFORMACIONES. CLASIFICACION DE LOS MATERIALES. RELACION ENTRE TENSIONES Y DEFORMACIONES. DIAGRAMAS. COEFICIENTE DE SEGURIDAD. TENSIONES ADMISIBLES. ENSAYOS DE MADERA. GENERALIDADES. HUMEDAD. PESO ESPECIFICO. COMPRESIÓN. PODER CALORÍFICO DE UN COMBUSTIBLE. DETONACIÓN. NUMERO OCTANO. VISCOSIDAD. TRATAMIENTO PRE-METALURGICO. HORNOS SIEMENS-MARTIN. TRATAMIENTO TERMICO. RECOCIDO. REVENIDO. TEMPLE. TEMA 2 : ENSAYOS DE MATERIALES. MAQUINAS DE ENSAYO. ENSAYOS ESTATICOS Y DINAMICOS. FATIGAS. CONCEPTO. CURVAS DE WOHLER. DIAGRAMA DE FATIGA. EFECTOS QUE VARIAN LA FATIGA. DETERMINACIÓN TIEMPO DE FRAGUADO. PROBETAS NUMERO CETANO. NUMERO CETENO. INDICE DIESEL. CENTROS SIDERURGICOS ARGENTINOS. LEY DE GIBBS. ALEACIONES LIVIANAS. TEMA 3 : ENSAYOS ESTATICOS. DEFORMACIONES PLASTICAS. DIAGRAMA DE DEFORMACIONES. ENSAYOS DE CHOQUE POR FLEXION. CHORPY-ISOD. PROBETAS. MAQUINA DE ENSAYO. ENSAYO DE MADERA. FLEXION. TRACCIÓN. DUREZA. MODULO DE ELASTICIDAD. HORNOS DE CUBILOTE. GENERALIDADES. FUNDICIÓN. BLANCA-GRIS Y MALEABLES Y ESPECIALES. TEMA 4 : ENSAYO DE TRACCIÓN. DIAGRAMA. CONCEPTO Y DIAGRAMA DE ENSAYO. TENSIONES VERDADERAS. ENSAYO DE MORTEROS. GRANULOMETRIA. ENSAYO DE HORMIGONES. PUNTO DE CONGELACIÓN Y ESCURRIMIENTO. PUNTO DE INFLAMACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES. OBTENCIÓN DE ARRABIO. ALTOS HORNOS. MODERNOS DE CARBON VEGETAL, COKE Y ELÉCTRICOS. TEMA 5 : ENSAYO DE TENSIÓN. COMPRESIÓN DE FUNDICIONES Y ACEROS. ENSAYO DE GRASAS. TIPOS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS ENSAYOS. FABRICACIÓN DE ACEROS SÓLIDOS, LIQUIDOS Y PASTOSOS. CONVERTIDORES. BESSENER-THOMAS. DIAGRAMA Fe-C. TEMA 6 : ENSAYO DE DUREZA BRINELL. ROCKWELL Y VICKERS. MICRODUREZA. RESISTENCIA. DIAGRAMA DE EQUILIBRIOS DE ALEACIONES BINARIAS. DIAGRAMA DE ESTRUCTURA DE LA ALEACIÓN Fe-C. HORNO ELECTRICO. GENERALIDADES. CRISOLES.
  • 3. 2 BIBLIOGRAFIA 1. ARQ. M. F. PASMAN,MATERIALES DE CONSTRUCCION, CESARINI HNOS, 1975 2. H. E. DAVIS, G. E. TROXELL, C. T. WISKOCIL, ENSAYE E INSPECCION DE LOS MATERIALES EN INGENIERIA, CONTINENTAL S.A., 1970 3. G. FROMENT, MADERAS DE CONSTRUCCIÓN, LERU S.R.L., 1954 4. C. CHAUSSIN, G. HILLY, METALURGIATOMO II, URMO S.A., 1975 5. F. SCHLEICHER, MANUAL DEL INGENIERO CONSTRUCTOR, LABOR S.A., 1955 6. AARÓN HELFGOT, ENSAYO DE LOS MATERIALES, KAPELUSZ, 1979 7. P. STIOPIN, RESISTENCIA DE MATERIALES, MIR, 1968 8. APUNTES UNIVERSIDAD DE LA PLATA 9. APUNTES UNIVERSIDAD DE CORDOBA 10. APUNTES ING. MOLINA, CATEDRA CONOCIMIENTO DE MATERIALES, UNIVERSIDAD DE AGROINDUSTRIAS
  • 4. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 3 INDICE Aceros Obtenidos al Estado Pastoso, 59 AcerosObtenidos al Estado Sólido, 61 Agua de Constitución , 14 Agua de Saturación , 14 Agua Libre, 14 Aleaciones Binarias al Estado Liq. y Sólido, 76 Aleaciones Livianas, 31 Alotropía, 28 Altos Hornos a Carbón de Leña, 53 Altos Hornos de Coque, 53 Altos Hornos Eléctricos (Hornos Gronwar), 54 Aparato de Ensayo Rockwell, 74 Aplicación de la Ley de las Fases, 29 Características procedimiento elect., 81 Cargas Dinámicas, 6 Cargas Estáticas, 6 Cargas Oscilantes, 23 Cargas Pulsatorias, 23 Cargas, 6 Caso de un Metal Puro: (N=1), 29 Caso de una Aleación Binaria: (N=2), 30 Cementacion Carburante, 61 Cementacion Oxidante, 61 Clasificación de las Fundiciones, 41 Clasificación de los Ensayos, 22 Clasificación de los Materiales, 5 Coeficiente de Seguridad, 12 Combustibles, 52 Compresión de Aceros, 56 Compresión de Hormigones, 49 Compresión en Maderas, 14 Convertidores, 63 Coque, 53 Cribado, 17 Crisol, Hornos Heroult, 82 Cuerpos Deformables (Sólidos Deformables), 6 Curva Fuerza- Deformación de un Acero, 43 Curvas de Enfriamiento de Aleaciones, 75 Curvas de Enfriamiento de Metales Puros, 75 Curvas de Enfriamiento del Hierro, 66 Deformación , 8 Deformaciones Plásticas, 32 Determ. del Tiempo de Frague del Cemento, 26 Determinación de la Humedad, 14 Detonación, 15 Diag de Eq. de las Sol. Sólidas, 77 Diag. de Eq. Parcialmente Miscibles, 80 Diag. de Eq. Que No Forman Sol. Sólida, 78 Diagrama de Equilibrio Hierro– Carbono, 66, 67 Diagrama de fatiga, 25 Dúctil , 9 Dureza Brinell (Norma Iram Nº 105), 70 Dureza Rockwell (Norma Iram Nº 105), 72 Dureza Vickers, 75 Dureza, 70 Efectos que Varían la Resistencia de Fatiga, 26 Ensayo de Corte en maderas, 39 Ensayo de Fatiga – Curva de Wohler, 24 Ensayo de Materiales Ensayo de Morteros, 48 Ensayos Científicos, 22 Ensayos de Choque, 34 Ensayos de Compresión en maderas, 38 Ensayos de Control, 22 Ensayos de Dureza, 70 Ensayos de Grasas: Mobilometro S.I.L., 58 Ensayos de Maderas, 37 Ensayos de Tracción en maderas, 38 Ensayos Destructivos, 22 Ensayos Dinámicos, 22 Ensayos Estáticos, 22 Ensayos Estáticos, 32 Ensayos No Destructivos, 22 Ensayos Tecnológicos, 22 Esfuerzo de Fluencia o Punto Cedente, 11 Esfuerzo de Rotura, 11 Esfuerzo Ultimo, 11 Esfuerzos de Compresión, 8 Esfuerzos de Corte , 8 Esfuerzos de Flexión , 8 Esfuerzos de Torsión, 8 Esfuerzos de Tracción, 8 Esfuerzos Normales, 8 Esfuerzos Tangenciales, 8 Esfuerzos Unitarios , 8 Esfuerzos, 7 Estricción, 44 Eutéctica, 30 Fabricación de Aceros al Estado Liquido, 63 Fabricación de los Aceros, 59 Fases, 28 Fatiga, 22 Forjas Catalanas, 59 Forma de Indicar El N° Brinell, 72 Forma de Indicar El N° Rockwell, 74 Forma de Indicar El N° Vickers, 75 Fraguado, 26 Fundentes, 15 General. Sobre Diag. de Equil. de Aleac., 75 Granulometría, 50 Hornos de Coque, 53 Hornos de Cubilotes, 40 Hornos Eléctricos Sin Cuba, 55 Hornos Eléctricos, 54, 81 Hornos Siemens – Martín (Afin. Del Arrabio), 18 Hornos Siemens Fijos, 19 Hulla, 15 Importancia del N° de Penetración, 58 Índice Diesel, 27 Ley de Hooke, 11
  • 5. 4 Ley de Las Fases- Ley de Gibbs, 28 Machaqueo, 16 Maderas Maleable, 9 Máquinas de Ensayo de Choque, 34 Máquinas de Ensayo, 32 Método de Charpy, 36 Método de Fremont, 35 Método de Yzod, 37 Microdureza, 75 Módulo de Elast. de La Flexión en maderas, 40 Molienda, 16 Numero Cetano, 27 Numero Ceteno, 27 Numero Octano, 15 Obtenciónde Arrabio, 52 Obtención de Esponjas Ferrosas, 60 Peso Especifico Aparente Maderas, 14 Peso Especifico Real Maderas, 14 Poder Calorífico, 15 Por Afinado de las Fundiciones, 63 Por Afino de la Fundición, 60 Principio de Tresca, 47 Probetas para Compresión, 58 Procedimiento Bessemer, 63 Procedimiento Thomas Básico, 66 Procedimientos de Separación, 17 Pudelado, 60 Rango Elástico o Zona Elástica, 11 Rango Plástico o Zona Plástica , 11 Recocido, 21 Recuperadores, 20 Relación entre Tensión y Deformación, 6 Relación Esfuerzo – Deformación, 10 Resiliencia, Rechazo o Elasticidad, 10 Resistencia a la Flexión en maderas, 38 Revenido, 21 Solera Ácida , 20 Solera Básica , 20 Solera Neutra, 20 Soleras, 20 Temple, 21 Tenacidad, 10 Tensión Admisible , 12 Tipo de Ensayo, 22 Tipos hornos eléctricos, 81 Tracción de Morteros, 48 Tracción, 42 Tratamientos Pre-Metalúrgicos, 16 Tratamientos Térmicos Preliminares, 17 Tratamientos Térmicos, 20 Triangulo de Feret, 51 Valores de Choque o Resiliencia, 37 Viscosidad, 16
  • 6. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 5 BOLILLA Nº 01 OBJETO : El conocimiento de los materiales tiene por objeto conocer las propiedades inherentes a cada uno, la utilidad actual y posible de ellos, sus condiciones como aislante de humedad, sonido, temperatura, resistencia a los agentes atmosféricos, al fuego, posibilidad de aumentar las condiciones de las estructuras resistentes, etc. En todas las naciones se efectúan estudios y ensayos de los materiales susceptibles de ser aptos para la construcción de edificios y maquinas. En un principio se comenzaron con los estudios físicos, fijándose normas para que sus valores sean comparables para el examen de los aglomerantes, maderas, piedras y metales. Luego se añadieron los estudios químicos y luego los microscópicos, que permitieron evolucionar la metalurgia al poderse seguir el proceso de las modificaciones en el interior de los metales. Los estudios y ensayos efectuados permiten como primera medida, economizar los materiales al establecer el justo limite de su capacidad de trabajo y segundo extender las posibilidades de uso en obras más grandes y complejas cumpliendo con las exigencias de menor peso, mejor calidad y mayor rendimiento. CLASIFICACION DE LOS MATERIALES Una primera clasificación seria: NATURALES : son los que se extraen directamente de la naturaleza, no necesitando para su empleo mas que darle la forma adecuada, como ser piedras y maderas, o separándolas de otras a las cuales están ligadas como el hierro. ARTIFICIALES : Son aquellos que se preparan con productos diversos al estado pulverulentos o pastosos y se endurecen por procesos químicos. De lo dicho se desprende que existen dos clases de piedras: Naturales y Artificiales. Las piedras NATURALES se encuentran en la naturaleza formando las rocas, constituidas por la asociación de minerales de composición, estructura y origen diversos, que en forma de masas independientes integran la corteza terrestre. Las rocas pueden ser SIMPLES y COMPUESTAS, según estén constituidas por minerales iguales, como por ejemplo las hullas, algunas calizas, etc. o distintos, como por ejemplo los granitos. Por su origen las rocas se clasifican en ERUPTIVAS, SEDIMENTARIAS y METAMORFICAS. ERUPTIVAS : Se han formado al enfriarse el magma pastoso terrestre, consolidándose en el interior las llamadas de profundidad o PLUTONICAS, y en el exterior las VOLCÁNICAS. Sus caracteres son de: 1. origen ígneo 2. cristalinas (casi siempre) 3. macizas 4. no poseen fósiles Los ejemplos más importante de las plutónicas son el granito, la diorita, etc. De las volcánicas el porfido, el basalto y la traquita. SEDIMENTARIAS : Son las que tienen su origen en la destrucción de rocas preexistentes por acción del viento o el agua, y acumulación posterior de sus materiales, siendo, pues, de origen secundario. Se presentan por capas o estratos generalmente horizontales, con frecuencia plegados y estrujados por acción posterior a su formación. sus caracteres son: 1. origen acuoso 2. dispuestos en lechos 3. poseen fósiles Los ejemplos principales son las brechas, areniscas, yeso, caliza y margas. METAMORFICAS : Son las que experimentan cambios dentro de la corteza terrestre debido a las grandes presiones y elevadas temperaturas, por lo cual su carácter primitivo sé a modificado de tal manera que son indeterminables. Sus caracteres son:
  • 7. 6 1. Estado cristalino 2. Estructura laminar en escamas o foliadas 3. pueden poseer fósiles Los principales ejemplos son las gneiss, pizarra micacea, cuarcitas, mármoles. CLASIFICACION DE LOS MATERIALES SEGÚN SU PROPIEDAD MECANICAS Según la naturaleza y magnitud de las deformaciones que experimenten los materiales bajo la acción de fuerzas exteriores, sin tener en cuenta el valor de la tensión que las produce, se dividen en dos grupos: Frágiles y Dúctiles (esfuerzos de tracción), Maleables o tenaces (esfuerzos de compresión). RELACION ENTRE TENSIÓN Y DEFORMACIÓN CONSIDERACIONES Debemos tener en cuenta las relaciones entre las cargas exteriores aplicadas y sus efectos en el interior de los cuerpos, además no se supone que los cuerpos son idealmente rígidos como en estática, sino que las deformaciones por pequeñas que sean tienen gran interés, esta materia comprende los métodos analíticos para determinar la resistencia, la rigidez y la estabilidad de los diversos medios soportadores de carga. CARGAS: Fuerzas que actúan sobre los cuerpos. Según su efecto sobre los cuerpos existen varios tipos de cargas. CARGAS ESTATICAS: Son las cargas cuya magnitud o punto de aplicación no varia o lo hace muy lentamente. 1.- Carga Puntual o Concentrada (carga aplicada en un solo punto) 2.- Carga Uniformemente Distribuida (carga iguales aplicadas en puntos uno al lado del otro) 3.- Carga Uniformemente variada (carga similar a la anterior, pero sus magnitudes son distintas) Se denomina carga AXIAL cuando la carga esta aplicada en el centro de la sección transversal de la pieza y en dirección al eje de ensayo. CARGAS DINAMICAS: Las cargas que varían su magnitud o punto de aplicación con el tiempo (cargas de impacto por ejemplo). Cuerpos Deformables (Sólidos Deformables): Todo cuerpo está constituido por una serie de partículas pequeñas entre las cuales actúan fuerzas (internas), estas fuerzas se oponen a los cambios de forma del cuerpo cuando sobre él actúan fuerzas exteriores (P), si un sistema de fuerzas exteriores se aplican a un cuerpo o un sólido sus partículas se desplazan relativamente entre sí, y estos desplazamientos continúan hasta que se establece el equilibrio entre fuerzas exteriores y fuerzas interiores (RI, RII). La existencia de las fuerzas interiores pueden justificarse gráficamente sin entrar al estudio de la estructura atómica del material, realizando cortes hipotéticos en un cuerpo, sobre cargas
  • 8. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 7 compatibles con su resistencia (Fig. 1), al analizar que fuerzas o sistemas de fuerzas debemos aplicar para que las partes no se desplacen. En efecto, si tenemos en cuenta que cuando los cortes supuestos no se realizan subsisten en el interior del material las mismas condiciones, el equilibrio deberá ser mantenido por las fuerzas interiores en cuyo caso comprobamos además el esfuerzo producido por el cuerpo, el que es posible medir con los valores y unidades de las fuerzas que lo originan. La condición de equilibrio queda entonces expresada por: FUERZA EXTERIOR O CARGA = FUERZA INTERIOR = ESFUERZO FIGURA 1 FIGURA 2 Si suponemos que las cargas aplicadas son perpendiculares a la sección transversal y se reparten uniformemente (igual intensidad en todos los puntos), el esfuerzo total sobre una sección podrá ser considerada igual a la resultante de las fuerzas interiores que actúan sobre la misma (RI, RII). Si esta sección es transversal, el esfuerzo total será normal (Fig. 1), en cambio, si presenta una determinada inclinación, (Fig. 2), la resultante interna (RI, RII), para su estudio, en sus componentes normales (PN) y tangenciales (PT), siendo por lo tanto posible hablar de ESFUERZOS NORMALES Y ESFUERZOS TANGENCIALES. Esfuerzos: El término fundamental para el estudio de la resistencia de los materiales es el llamado esfuerzo unitario, sabemos que el calculo de las fuerzas externas en una sección de un miembro debe ser determinada por los conocimientos de la estática. Si bien la clasificación anterior permite agrupar los esfuerzos en normales y tangenciales, su individualización se obtiene analizando el efecto que producen en las secciones transversales. Podemos así distinguir 5 tipos de esfuerzos simples o puros: TRACCIÓN, COMPRESIÓN, FLEXION, TORSIÓN y CORTE.
  • 9. 8 TORSION FLEXION COMPRESIONTRACCION ESFUERZOS NORMALES: Son los producidos por cargas o pares de cargas que tienden a trasladar (separar o acercar) a las secciones transversales en un determinado sentido. Pertenecen a esta clasificación los esfuerzos de tracción, compresión y flexión. TRACCIÓN Y COMPRESIÓN: Se obtienen cuando las fuerzas exteriores, de igual magnitud, dirección, pero de sentido contrario, tienden a estirar (tracción) o aplastar (compresión) según el eje en el que actúa. FLEXION: Tiene lugar cuando se producen pares de fuerzas perpendiculares al eje, que provocan el giro de las secciones transversales con respectos a las inmediatas. En este caso las cargas no actúan normalmente a las secciones transversales como en tracción y compresión, pero el flexionamiento provoca, en el sentido del eje longitudinal (eje neutro), efectos interiores similares a los de aquellos esfuerzos, imaginemos que tomamos un borrador de goma con ambas manos y presionamos con los pulgares por el medio del mismo, veremos que en la parte superior del mismo se “arruga” (compresión), y en la parte inferior se estira (tracción). ESFUERZOS TANGENCIALES: Se denomina esfuerzos tangenciales o deslizamiento a los generados por pares o cargas que actuando en el plano de las secciones transversales, tienden a producir sus giros (TORSIÓN) o deslizamiento (CORTE). TORSIÓN: Se origina por efecto de pares de fuerzas que actúan sobre los ejes de las secciones transversales, produciendo el giro de las mismas en sus planos. CORTE: Las fuerzas actúan normales al eje del cuerpo, desplazando entre sí las secciones intermedias. En las estructuras o mecanismos generalmente actúan simultáneamente dos o más esfuerzos simples descriptos, obteniéndose los esfuerzos compuestos: FLEXO-TORSION, TRACCIÓN- COMPRESION, etc. ESFUERZOS UNITARIOS: Puede ser definido como la fuerza interna por la unidad de área de una sección de unión. Hay dos tipos de esfuerzos. Esfuerzos normales los cuales actúan en perpendicular a las secciones en estudio y pueden ser de tensión o compresión dependiendo de sus tendencias a alargar o acortar el material sobre el cual actúa. La resistencia de materiales estudia a los sólidos como cuerpos deformables que ofrecen gran resistencia a la deformación y desea hallar: a.- El estado de tensión del sólido b.- Determinar cuales son las fuerzas internas con el objeto de analizar si el sólido puede o no resistir las cargas externas, o conocidas las cargas externas determinar las dimensiones que debe tener el cuerpo para resistirlas. c.- El estado de deformación infinitesimal para determinar los desplazamientos de los cuerpos para saber si son balanceados y para resolver problemas hiperestáticos. Deformación: Un cuerpo sólido sometido a un cambio de temperatura o a cargas externas se deforma. Deformación Uniforme: Cambio de longitud entre la longitud inicial (Lo) y la final (Lt).
  • 10. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 9 Lo ∆L P Lt > Lo El cuerpo se alargo Lo > Lt El cuerpo se acorto A = seccion transversal probeta Lt Si a una barra recta de sección transversal constante le aplicamos una carga de tracción o compresión, experimenta (a medida que la carga aumenta), un alargamiento (tracción) o acortamiento (compresión), cuya magnitud depende de la naturaleza y dimensiones del material, esta deformación se la denomina (∆l), que resulta de la diferencia entre la longitud inicial y la longitud al momento cualquiera que posee la pieza. Para determinar el numero representativo de la deformación, se indica por unidad de longitud (todas las dimensiones con una misma unidad de medida, que dará por resultado un numero adimensional), obteniendo la deformación unitaria o especifica (εε). encionala mm mm lo lolt lo l dim== − = ∆ =e Cuando la sección transversal varia o el material presenta características diferentes en la misma, la deformación unitaria representa un valor medio y se deberá determinar el alargamiento o acortamiento producido en una longitud elemental. lo l∆∂ =∂e Si el esfuerzo es tangencial o de corte, la deformación que se produce varia corrientemente de un lado a otro, puede expresarse como una deformación angular. Si tenemos un cuerpo elemental en el que actúan las fuerzas cortantes únicamente sobre la cara BC. Por la cara AD se generan esfuerzos cortantes opuestos además supondremos que la altura l esta constituida por placas superpuestas de pequeño espesor, estas se deslizaran entre sí lo que nos indica que el deslizamiento total o deformación total estará dada por el segmento BB’, el que por unidad de longitud será igual a la tg del ángulo de deslizamiento. Deformación unitaria por deslizamiento = BB’ = tg γ
  • 11. 10 γ De acuerdo a la magnitud del esfuerzo y a la naturaleza del material, las deformaciones especificas o angulares pueden ser transitorias o elásticas cuando desaparecen al cesar la carga que las originan, y permanentes o plásticas en caso contrario. Cuando un material se rompe en su periodo elástico con muy poca deformación plástica, resulta frágil y su fractura se produce en forma brusca, tal como ocurre en la fundición, aceros resistentes, hormigones. Cuando presenta deformación plástica resulta Dúctil, Maleable o Tenaz (aceros blandos). Dúctil: cuando la deformación plástica se origina por esfuerzos de tracción (el material es alargado o estirado). Maleable: cuando los esfuerzos son de compresión (aplastamiento). Desde el punto de vista tecnológico la ductilidad es la propiedad de los materiales de permitir ser transformados en alambres o hilos (trefilado) y la maleabilidad la de dejarse extender hasta adoptar la forma de planchuelas o chapas (martillado y laminado). Si tenemos en cuenta el trabajo absorbido por el material en su proceso de deformación hasta la rotura, el mismo será tanto mayor cuanto mayor sea su resistencia y capacidad de deformación plástica, obteniéndose lo que se conoce como: Tenacidad: o propiedad de absorber energía que impide en muchos caso la fractura de los elementos expuestos a cargas de choque o impactos. Resilencia, Rechazo o Elasticidad: característica de comportarse como un resorte, cuando la carga aplicada no excede del periodo elástico del material, la carga acumulada es devuelta por el mismo al cesar aquella. Relación Esfuerzo - Deformación: En este caso trabajaremos con el diagrama del ensayo de tracción de un acero, siendo este el diagrama más característico, ya que se puede observar todos los puntos interesentes que ocurren dentro de este tipo de diagrama. DIAGRAMA TENSIÓN-DEFORMACIÓN DEL ACERO
  • 12. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 11 ESFUERZOS DEFORMACIONES ZONA I elastico ZONA II plastico σ1 ε1 γ En la figura se representa el diagrama típico de acero común. En la figura se observa que los esfuerzos unitarios y las deformaciones unitarias son proporcionales desde (O) hasta el punto (A), al continuar cargando se puede observar otro punto interesante (B), en el cual las deformaciones ya no son proporcionales a los esfuerzos, pero el material continua con deformaciones elásticas, esto significa que si dejamos de realizar el ensayo de tracción, y descargamos la probeta, el material recupera su longitud inicial, más allá del punto (B) la deformación aumenta rápidamente en relación con el esfuerzo (C-D) (periodo de fluencia), continuando el ensayo luego de (D) el esfuerzo y la deformación crecen sin ningún tipo de proporción hasta llegar al punto (E) luego de dicho punto el esfuerzo unitario disminuye y la deformación unitaria crece hasta la rotura del material (F). Los puntos característicos son: A = límite de elasticidad o proporcionalidad. B = límite de elasticidad práctica. C = límite inicial de fluencia. D = límite final de fluencia. E = carga máxima. F = rotura de la probeta. Zona Ι = período elástico. Zona ΙΙ = período plástico. Podemos definir estos puntos como: Rango Elástico o Zona Elástica: Zona dónde es válida la Ley de Hooke en cualquier punto de esta zona el material se deforma bajo la acción del esfuerzo y al retirar el esfuerzo el material recupera sus dimensiones originales sin que quede ninguna deformación (desde 0 hasta A). Rango Plástico o Zona Plástica: Es la zona donde los esfuerzos no son proporcionales a las deformaciones, un material cargado que se encuentre en esta zona al retirar el esfuerzo queda con una deformación permanente. Esfuerzo de Fluencia o Punto Cedente: En este punto el material desarrolla un marcado incremento de la deformación sin aumentar el esfuerzo. En la figura el punto cedente esta
  • 13. 12 determinado por las ordenadas de (C y D), dentro de este periodo de fluencia podemos obtener dos nuevos puntos interesantes que seria el punto de fluencia máxima que en este caso coincide con el inicio de fluencia (C) (puede resultar otro punto dentro de este tramo), y el punto de fluencia mínimo (C1). Esfuerzo Ultimo: Es el mayor esfuerzo basado en el área original de la probeta, que puede desarrollar un material así que es la máxima ordenada de un diagrama Esfuerzo / deformación. En la figura el esfuerzo último esta determinado por la ordenada del punto E. Esfuerzo de Rotura: Es el esfuerzo en un material basado en el área original en el instante en que se rompe. Es la última ordenada del diagrama representado por el punto F. LEY DE HOOKE Consideremos una barra prismática cargada en su extremo tal como indica la figura fig. 1 Bajo la acción de esta carga la barra se alarga una cierta cantidad ÄL. Cuando la carga disminuye, el alargamiento de la barra también disminuye, y el extremo cargado vuelve hacia arriba. Si al retirar la carga el cuerpo recupera su forma primitiva, se dice que el mismo es perfectamente elástico, (es el caso que estudiaremos en esta bolilla) Si, por el contrario, al descargarlo la deformación no desaparece por completo, se trata de un cuerpo parcialmente elástico (estudiado en bolilla 3). Si esta barra fuera de acero el diagrama obtenido seria el ya visto, y se podrá ver que entre ciertos límites el alargamiento de la barra es proporcional a la fuerza extensora (Hooke, 1678). Como la fuerza P se distribuye uniformemente en toda el área A de la sección de la barra, la fuerza por unidad de superficie será: A P =s se denomina Tensión y se expresa corrientemente en kg/cm 2 o en t/cm 2 (carga sobre superficie) A su vez, el cociente entre el alargamiento y la longitud inicial constituye el alargamiento por unidad de longitud: l l∆ =e Se observa que en el diagrama hay una zona donde las deformaciones son proporcionales alas tensiones (0 a A), esto significa que a un determinado esfuerzo le corresponde una determinada deformación. La Ley de Hooke expresa esta proporcionalidad de la siguiente manera: Si obtenemos la tangente de γ ges e s g TgTg ×=⇒= 1 1 1 Ahora si a tg γ la denominamos E (coeficiente de proporcionalidad) nos quedaría que: E×= es 1 El coeficiente de proporcionalidad E es una constante elástica del material llamada Módulo de Elasticidad y se expresa en kg/cm2 o en t/cm2 . En esta zona, si descargamos el material, este retorna a su longitud inicial (esto significa que toda la deformación fue elástica), debemos tener en cuenta que el recupero de la deformación en el diagrama es coincidente con la recta O-A.
  • 14. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 13 También debemos tener en cuenta que si bien el punto A, es el limite de proporcionalidad, no es el punto donde comienza la zona plástica, ya que existe otro punto muy próximo al punto A (denominado B), en el cual las deformaciones no son proporcionales a los esfuerzos, pero si son elásticas, por lo tanto el punto B seria el limite elástico real. A partir de B comienza la zona plástica que la estudiaremos en la bolilla 3. COEFICIENTE DE SEGURIDAD La adopción del Coeficiente de Seguridad se realiza según el tipo de material, del modo de actuar la carga sobre el cuerpo, ya sea constante, variable o alternada, como también la exactitud del calculo, cuanto menos exacto es, el coeficiente de seguridad debe ser mayor. En todos los casos el coeficiente de seguridad es mayor que 1, ya que la intención al adoptar este coeficiente es trabajar lejos de los limites de tensión adoptado. coeficiente de seguridad u >1 TENSIÓN ADMISIBLE Para tensiones inferiores al límite de proporcionalidad, el material puede considerarse perfectamente elástico; por encima de este límite, parte de la deformación se conserva al descargar la barra. Es decir se presentan deformaciones permanentes. Para que la estructura esté siempre en condiciones elásticas y no exista la posibilidad de deformaciones permanentes, la tensión de trabajo o tensión admisible debe adoptarse por debajo del límite de proporcionalidad. Se toma como tensión admisible del material, la tensión de fluencia dividida por un coeficiente de seguridad. Materiales Dúctiles: u s s fluencia adm = Materiales Frágiles: u s s rotura adm = Por ejemplo en el caso del acero de dureza natural ADN 420, tomando un coeficiente de seguridad = 1,75, la tensión admisible será: )/(2400 75.1 )/(4200 75.1 2 2 cmkg cmkgFluencia adm === s s El módulo de elasticidad de estos aceros es E = 2100000 kg/cm2 Para el caso de estructuras conformadas por perfiles laminados o tubos estructurales, la tensión de fluencia es de 2400 kg/cm 2 , y el coeficiente de seguridad es 1.6 )/(1500 6.1 2 cmkgFluencia adm == s s Para los materiales frágiles, como la fundición, hormigón, se toma la Resistencia de Rotura, por la dificultad de hallar la tensión de fluencia.
  • 15. 14 MADERAS GENERALIDADES Las condiciones climatologicas, el suelo y la altitud son factores que fijan una determinada especie, es así que en las regiones frías solo pueden encontrarse árboles de madera blanda y de colores pálidos (pinos), en cambio ambientes cálidos predominan las pesadas, duras y de colores oscuros (quebracho, algarrobo). En un corte transversal se puede observar la parte central, conocida como duramen o corazón, representa el soporte o estructura de la planta al estar constituida por la madera perfecta cuyo tejidos han dejado de cumplir toda función activa (conducción de savia), la zona media o albura es la encargada de transportar hacia la copa y por medio de sus vasos el jugo vegetal formando por esta causa la parte más húmeda de madera joven o imperfecta, y por ultimo la corteza. MEDULA DURAMEN ALBURA celulas de cambio CORTEZA Externa (epiderma) Interna (endoderma) Se puede dar una primera clasificación por la propiedad mecánica de dureza, denominándose blandas a todas aquellas de tejido flojos, pocos densos y que pertenecen a especies de crecimiento rápido, y duras a las de tejidos fijos y compactos. Otra característica es el color, las duras presentan colores oscuros, llegando en algunos casos al negro, para ir variando hasta el blanco en maderas livianas y blandas. Otra clasificación es teniendo en cuenta sus pesos específicos, para lo cual es necesario hacer notar que por ser un material heterogéneo y de porosidad relativa elevada, debe distinguirse entre el peso especifico de la madera propiamente dicha o real y el aparente, que resulta de relacionar el peso con la unidad de volumen de la misma al estado natural. La humedad es uno de los agentes que inciden sobre sus características físicas y mecánicas, provocando variaciones en el volumen y en la resistencia. Es por eso que las maderas recién aserradas deben ser sometidas a un proceso de secado, natural o artificial, para disminuir la humedad, para lograr mayor resistencia. Con este procedimiento la madera se considera seca cuando el porcentaje de humedad varia entre el 10 % y 20%. DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD Cuando se considera la humedad debemos distinguir entre: AGUA LIBRE: la que puede alojarse en los vasos y poros de las mismas, esta aparece cuando las paredes de las células están saturadas; es la primera en evaporarse, esta humedad puede variar entre grandes limites por depender de la porosidad de la especie. AGUA DE SATURACIÓN: la que es capaz de absorber las fibras o tejidos, pueden eliminarse íntegramente colocando la madera en una estufa de circulación de aire a temperaturas de 100 - 110 °C, la saturación se alcanza entre el 25 y el 30 % AGUA DE CONSTITUCIÓN: Forma parte integrante de la materia leñosa y que no puede eliminarse sino por destrucción de la madera mediante fuego; esta humedad no es considerada para los ensayos. El porcentaje de agua se calcula colocando las muestras o probetas, previamente pesadas, en estufas de temperaturas variables entre 100 y los 105°C, hasta que la muestra tenga un peso constante, para lo cual se verifica el peso de la madera periódicamente hasta obtener 2 o más pesadas iguales.
  • 16. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 15 pn = peso de la probeta a la humedad H% po = peso constante o de la madera seca humedad porcentual 100%)( × − = po popn h La importancia que tiene esta determinación se pone en manifiesto por las comprobaciones practicas de que la resistencia a la compresión disminuye entre el 4% y 6% por cada 1% de aumento de humedad. En ensayos de tracción axial y flexión realizados sobre probetas con un 40 % de humedad, la resistencia disminuya a la mitad y a las 2/3 partes respectivamente. La humedad normal es del 15 %. PESO ESPECIFICO REAL Es el que se obtiene de relacionar el peso de un trozo de madera con su volumen, en este caso la humedad interfiere mucho, debido a que a mayor cantidad de agua mayor será el peso de un mismo volumen del material, entonces debe tomarse el 0 % de humedad. PESO ESPECIFICO APARENTE Es el que se obtiene de relacionar el peso de un trozo de madera con su volumen, en este caso el peso y el volumen se obtienen de muestras con un mismo grado de humedad, este valor es extraordinariamente variable, ya que depende no solamente de la estructura del material, sino también del grado de humedad de la muestra que influye sobre el peso y sobre el volumen. Para los ensayos se normalizo, que el % de humedad debe ser del 15 %. COMPRESIÓN El ensayo de compresión es el más común y puede realizarse según la dirección de las fibras o en forma transversal a ellas, siendo la primera la más importante debido a que se obtienen resultados uniformes y más exactos. El ensayo se realiza en prensas de 4 tn como mínimo, las probetas no deben presentar defectos y no presentar fibras torcidas. La resistencia determinada con probetas cúbicas es algo superior a la obtenida con la probeta prismática de igual base, por la mayor influencia que en las cúbicas ejerce el rozamiento en las secciones medias. Una vez colocada la probeta entre los platos de compresión de la maquina, se pone en cero el registrador de esfuerzos y se comienza la aplicación gradual y uniforme de la carga hasta la rotura o suspensión del ensayo. La resistencia de la madera disminuye con el aumento de la humedad entre ciertos limites, los que corresponden al estado de completa sequedad (0%) y al de saturación de las fibras (30%), pasado el cual los valores permanecen mas o menos constantes. PLACA DE ACERO 5 5 5 15
  • 17. 16 COMBUSTIBLES Es toda sustancia capaz, al combinarse químicamente con el oxigeno (oxidación), de constituir una fuente calorífica de aplicación practica. La combustión es una combinación de un elemento combustible con el oxigeno, por lo tanto es una oxidación. Cualquier elemento capaz de combinarse con el oxigeno produce cierta cantidad de calor la cual no es mas que la energía desarrollada. Cuando el combustible contiene compuesto del carbono es combustible orgánico. Cuando contiene un elemento simple, como el Si, Mg, S, F, es inorgánico. HULLA: Carbones fósiles que arden con llamas mas o menos larga desprendiendo humo muy grasiento, se denominan a este carbón BITUMINOSO. Este carbón se convierte en antracita que arde casi sin llamas, sin humo ni olor. Se dice una hulla coquiza fácilmente cuando al entrar en combustión se reblandece y suelda entre si los trozos que la forman. Los carbones fósiles denominados hullas secas no coquizan en pequeño grado. Una hulla que contiene elevado % de oxigeno no es coquizable. FUNDENTES: Son cuerpos que se agregan al mineral que debe tratarse en el alto horno para provocar la separación de la ganga. A altas temperaturas el fundente se combina dando lugar a cuerpos compuestos de más fácil fusión que antes. PODER CALORÍFICO: Se entiende por poder calorífico de un combustible al calor desprendido durante la combustión completa de 1 Kg del mismo si es sólido o liquido o de 1 m3 si es gaseoso. DETONACIÓN : Es el incremento súbito de energía causado por el aumento de la presión de compresión de un motor que eleva la temperatura de la mezcla aire-combustible y produce la auto ignición. La detonación produce un choque audible llamado pistoneo que perjudica al motor. La detonación se mide en números octanos. NUMERO OCTANO: Es una prueba de calidad efectuada directamente en el servicio. El N° octano de una gasolina indica su relativa tendencia a pistonear bajo condiciones especificas de operación en un motor de laboratorio. Esta tendencia se determina por medio de comparaciones con combustibles de composición y rendimientos conocidos. Al iso-octano puro se le ha asignado el grado 100, porque no pistonea en la mayoría de los motores de automóviles. Al heptano normal de pureza similar se le ha asignado arbitrariamente el grado 0, debido a que pistonea en casi todos los motores de automóviles. El N° octano es una prueba en servicio real de al calidad del combustible para motores. Es una de las más importantes que se usan regularmente en la producción de las gasolinas modernas de alta calidad. Ha ayudado tanto a los fabricantes de motores como a los refinadores de petróleo haciendo posible la fabricación económica de motores de automóviles de alta velocidad con relaciones de compresión altas como de 9 a 1. El N° octano es el % en volumen, de iso-octano que conforma una mezcla de iso-octano y heptano normal que puede equipararse con el combustible desconocido en su tendencia a detonar. VISCOSIDAD : La viscosidad de un liquido es la medida de su fricción interna, o sea su resistencia a fluir. Se dice que un liquido tiene baja viscosidad si fluye libremente como sucede con el agua ytiene alta viscosidad cuando fluye lentamente. Técnicamente la viscosidad se define como la fuerza
  • 18. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 17 necesaria para mover una superficie plana de 1 cm2 sobre otra superficie plana con una velocidad de 1 cm/seg, cuando las dos superficies planas están separadas por una capa liquida de 1 cm de espesor. Esta fuerza se denomina POISE o unidad de viscosidad absoluta o dinámica. La viscosidad cinemática es la razón de la viscosidad absoluta de un liquido y la densidad del mismo a la temperatura a la cual se mide la viscosidad. La unidad de la viscosidad es el STOKE. La viscosidad en stokes multiplicada por la densidad a la temperatura de la prueba es igual a la viscosidad en POISES. La industria petrolera toma como medida de la viscosidad el lapso de tiempo necesario para que una cantidad determinada de aceite fluya por un tubo capilar calibrado. Estas medidas se toman usando diversos instrumentos llamados viscosímetros. Uno de ellos es el SAYBOLT UNIVERSAL, esta compuesto de un tanque o baño que contiene un cilindro vertical con un orificio pequeño en el fondo del cilindro que contiene un tapón o corcho, contiene aceite que se va a probar. El tanque exterior es un baño de agua u otro liquido, para mantener el aceite a una determinada temperatura. Una vez que se halla llenado el cilindro con aceite, este se calienta a la temperatura deseada (100, 130, 210° F). Al quitar el tapón de corcho, el aceite fluye del cilindro a través del orificio y se deposita en un matraz aforado de 60 cm3. El tiempo en segundos que tarda el aceite en llenar los 60 cm3 es la viscosidad a la temperatura de la prueba. La viscosidad se expresa en segundos universales saybolt. TRATAMIENTOS PRE-METALURGICOS El material se extrae de la mina en forma de bloque mas o menos grandes y en general deben reducirse a un grado de finura adecuado, estos procedimientos son: MACHAQUEO:Tiene por objeto transformar los bloques de mineral en trozos de 5 a 10 cm de diámetro, generalmente se hace en dos a tres etapas. pueden ser: Machacadoras de mandíbulas: que posee una mandíbula fija y otra móvil, animada de un movimiento de vaivén, que choca sobre la primera produciendo el machacado. MOLIENDA: Completa la acción del machaqueo, reduciendo el mineral a polvo con partículas del orden de 1 mm. Molino de cilindros: Esta formado por dos cilindros o rodillos del mismo diámetro y que giran en sentido contrario, pudiéndose variar la separación entre los mismos para regular el diámetro de polvo a obtener. Molino de bolas: Estos molinos pulverizan los materiales previamente machacados por aplastamiento, consta de un recipiente cilíndrico giratorio con paletas, con bolas de acero de 1 kg de peso en su interior, que al ir girando el tambor las bolas caen sobre los bloques de mineral pulverizándolas, posee un tamiz en la periferia que permite salir al polvo de acuerdo al tamaño deseado CRIBADO: o tamizado consiste en clasificar los trozos según su tamaño. Un método es un cilindro con las paredes perforadas cuyos orificios van de menor a mayor, por donde se produce el tamizado a medida que el cilindro gira.
  • 19. 18 RODILLOS LARGUEROS Otro método seria por criba vibrante, que comprende dos o tres tamices superpuestos de mayor tamaño a menor con un movimiento vibratorio. Con estos procedimientos obtenemos lo que se denomina GANGA. PROCEDIMIENTOS DE SEPARACIÓN: Estos tratamientos tienen por objeto separar de la ganga el elemento rico del mineral. Un método seria por flotación este consiste en introducir el mineral en líquidos densos contenidos en un tambor que gira, las fracciones ligeras quedan en suspensión y las fracciones pesadas van al fondo y son recogidas por cangilones (paletas con forma de tirabuzón, fijas a las paredes del tambor) que las trasladan a un canal de arrastre. TRATAMIENTOS TERMICOS PRELIMINARES: Este tratamiento tiene por objeto operar una transformación química dando un producto intermedio más apropiado para la elaboración del metal en el tratamiento metalúrgico propiamente dicho. Dos son los tratamientos más importantes 1.- Calcinación de los carbonatos: hornos de cuba, este horno de eje vertical recibe las materias a tratar por su parte superior denominada tragante y los productos de la operación salen por la parte inferior. La calefacción se obtiene cargando por el tragante un combustible sólido en capas alternadas con el material a tratar, y por la parte inferior del horno se inyecta aire, la temperatura no debe superar los 400 °C para que no se fluidifique el material. 2.- Tostación de los sulfuros: Consiste esencialmente en someter el material a la acción oxidante del aire a alta temperatura. Se utilizan hornos largos y rotativos de eje prácticamente horizontal, con toberas en la periferia del horno para ingresar el aire, el giro del horno es lento. PRODUCTO TOSTADO TOBERASALIMENTACION Daremos hora una idea del tratamiento siderúrgico, siendo este la metalurgia de las aleaciones a base de hierro. Comprende dos fases distintas: 1.- OBTENCIÓN DEL ARRABIO: Se parte de un oxido de hierro natural u obtenido por calcinación de un carbonato o por tostación de la pirita de hierro. Este oxido se reduce en el alto horno, la alta temperatura necesaria para la separación de la ganga favorece otras reacciones (en particular la cementacion) que incorporan diversas impurezas al hierro, así se obtiene un producto muy impuro llamado ARRABIO que contiene un 94 % de hierro.
  • 20. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 19 2.- AFINO DEL ARRABIO: Consiste esencialmente en la eliminación por oxidación de la mayor parte de carbono y otras impurezas del arrabio, obteniéndose los aceros ordinarios. HORNOS SIEMENS – MARTÍN (Afinado del arrabio) Martín consiguió transformar la fundición utilizando un horno de reverbero. El proceso esta basado en el principio de la descarburación de la fundición, mediante chatarra de Fe y acero en retazos que constituye un desperdicio de las industrias que utilizan estos materiales. Como el Fe y el acero son aleaciones, producen una mezcla de menor carburación, la que al estado liquido se homogeniza dando lugar a un acero cuyo porcentaje de C puede hacerse variar a voluntad, con solo aumentar o disminuir ciertas cargas que se agregan al baño metálico. Este procedimiento solo fue posible emplearlo en gran escala, cuando se aplica el horno inventado por Siemens, el cual permite obtener temperaturas elevadísimas, uniformes y constantes, en todo el recinto donde esta alojada la solera, o sea el lugar donde se produce la fusión del metal. A este recinto se lo llama laboratorio. Con el procedimiento Martín se ha hecho indispensable la utilización de hornos Siemens, por lo que el procedimiento se conoce como Siemens – Martín. El horno funciona de la siguiente manera : Se hace pasar los productos de la combustión antes de ir a la chimenea por grandes pilas de ladrillos u otros materiales capaces de absorber bien el calor. Este calor almacenado puede utilizarse para calentar el aire u otros elementos gaseosos destinados a quemarse, haciéndolos atravesar las pilas de ladrillos para que absorban el calor con que se consigue aumentar la temperatura en el lugar donde se produce la combustión. Con este horno se obtiene una temperatura que oscila entre los 1800 y 2000 °C, y tiene la característica que el revestimiento de la solera interviene en largas reacciones que se producen. La fabricación del acero por este método permitió utilizar las coladas y recortes procedentes de las acerias, convertidores, así como toda clase de chatarras y desechos de metales ferrosos. Estas coladas y recortes pasaron luego a ser el elemento principal de carga en este procedimiento. El revestimiento de la solera del horno juega un papel importante. No se trata de reducir él % de C solamente, sino la de eliminar los elementos nocivos, tales como S y P. La eliminación del S requiere que la escoria sea indispensablemente básica y que además exista una alta temperatura. La eliminación del P requiere el empleo de la cal en el baño donde se realiza el afinado. La cal destruirá rápidamente un revestimiento ácido o silícico, por lo cual, solamente se emplea con revestimiento básico. En el caso que el S y el P no existan, el revestimiento puede ser ácido. Es decir puede utilizarse tres revestimientos : a) Afinado sobre solera ácida. b) Afinado sobre solera básica. c) Afinado sobre solera neutra. Los hornos de solera ácida son empleados preferentemente para fabricación de piezas moldeadas, especialmente en acero puro. La naturaleza silicosa de las cargas y las reacciones que se producen, favorecen la obtención de un acero exento de sopladuras. Los hornos a solera básica son igualmente empleados para el colado de piezas, pero su destino más importante es suministrar materia prima para los talleres de laminación. Presentan las siguientes ventajas : 1. Es posible utilizar materiales ferrosos más impuros. 2. las reacciones y oxidaciones de los elementos contenidos en el baño se realizan mas rápidamente y como consecuencia de esto, la operación invierte menor tiempo. 3. El consumo de combustible por Tn de acero obtenido es más bajo y por lo tanto de mayor rendimiento económico. El acero presenta gran maleabilidad en caliente.
  • 21. 20 HORNOS SIEMENS FIJOS Pueden observarse dos partes principales; la solera y las cámaras recuperadoras, y otras partes accesorias. La Fig. representa el funcionamiento del horno, las cámaras R2 y R4 más pequeñas conducen el gas proveniente del gasógeno en forma alternada según la posición de la válvula inversa. Las cámaras R1 y R3 conducen aire en forma alternada. Por R2 entra gas, por R1 entra aire, por R3 y R4 salen gases de combustión. Invertidas las válvulas, entra gas por R4, aire por R3 y salen los gases de combustión por R1 y R2. En ambos casos los gases de la combustión se dirigen a la chimenea después de ceder su calor a las cámaras recuperadoras por donde circulan, en cambio, en las otras dos, tanto el gas como el aire absorben el calor de las cámaras y entran calientes en el laboratorio donde la mezcla se inflama con mayor facilidad. Las cámaras son recintos en los cuales están apilados ladrillos refractarios, por lo general huecos, dispuestos modo tal que forman conductos verticales en zig – zag. por esta causa los humos calientes ceden su calor a una masa de ladrillos, durante determinado tiempo, mientras se mantiene la circulación. La inversión de la corriente gaseosa, la regulación del paso de gas y aire, así como la salida de los humos, se realiza mediante un juego de válvulas de inversión. La capacidad de los hornos Siemens – Martín es variable de acuerdo con la importancia que asume la fabricación de acero en la aceria donde esta instalado, por ejemplo : 1. Hornos de hasta 5 Tn, destinados a la fusión de aceros destinados a piezas moldeadas. 2. Hornos de 6 a 20 Tn, destinados a la fusión de aceros que moldeados en lingotes sirven para el forjado de grandes piezas o bien para el colado de gran tamaño. 3. Hornos de 30 a 50 Tn, y aun más, destinados a suministrar por colado en lingoteras, acero que posteriormente se lamina para darle forma y secciones comerciales. 4. Hornos de 6 a 20 Tn, destinados a la fusión de aceros que moldeados en lingotes sirven para el forjado de grandes piezas o bien para el colado de gran tamaño. A = Entrada de aire G = Entrada gas L = Laboratorio H = Chimenea R1, R2, R3, R4 = Cámaras recuperadoras
  • 22. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 21 DIMENSIONES SOLERAS: Debe tener la capacidad para contener la carga que en ella se deposita, las escorias que se forman y las adiciones que deben agregarse en el transcurso de cada operación. La capacidad debe ser mayor en el procedimiento básico por cuanto es mayor el volumen de la escoria formada. Tiene forma rectangular con ángulos redondeados. SOLERA ACIDA: Encima de las chapas de fundición se coloca una capa de ladrillos refractarios silicoso puesto de canto. Sobre los ladrillos se coloca un mortero formado por cuarzo puro, de algunos mm de diámetro mezclado con un 2 % a 5 % de arcilla refractaria para asegurar la unión de las partes. Cada capa es apisonada fuertemente a mano o con fundición, estos últimos se calientan para evitar su adherencia al apisonar. El secado se hace primero suavemente y en forma indirecta, mediante fuego exterior, cuyos humos se hacen entrar en el laboratorio, haciendo así evaporar el agua contenida en el mortero de revestimiento. SOLERA BASICA: Se forma con una capa de ladrillos manganesiferos, recubiertos por un mortero de magnesia y dolomita mezclada con alquitrán. La dolomita del mortero se pulveriza hasta un espesor de grano de 4 a 5 cm previo calentamiento inicial e intermedio entre capa y capa. SOLERA NEUTRA: Se forma con pequeños bloques de ferrocarbono, llenando las juntas con trozos menudos de material, mezclados con cal y magnesia. RECUPERADORES : Son cámaras de ladrillos, colocadas lo mas cerca posible del horno para aprovechar el máximo calor recuperable. Los ladrillos son refractarios para que puedan resistir la acción de los gases de la combustión y el oxigeno a altas temperaturas. Estos ladrillos se construyen a base de Si o de alumina. TRATAMIENTOS TERMICOS El calentamiento y enfriamiento a temperatura y tiempos controlados se denomina TRATAMIENTO TERMICO, tiene por objeto la regeneración o modificación de la estructura cristalina, el acrecentamiento o variación de algunas de sus características físico – mecánicas en forma total. El tratamiento térmico consiste por lo tanto, en variar la velocidad de enfriamiento para poder obtener así estructuras cristalográficas con determinadas propiedades. El tratamiento térmico consiste en: 1. Calentar el metal o la aleación metálica dentro de determinadas temperaturas, alcanzando así determinadas propiedades existentes solo a esas temperaturas. 2. Enfriar, de determinada manera, ya sea casi instantáneamente, ya sea lento o muy lento, interrumpiendo este enfriamiento una o más veces si fuera necesario y luego enfriándolo hasta temperatura ambiente. A = Ducha agua D = Aceite de linaza B = Baño agua a 20 °C E = Plomo fundido
  • 23. 22 C = Mercurio TIEMPO D E C B A TEMPERATURA (°C) + resilencia + resistencia RECOCIDO Es una operación térmica que consiste en calentar un metal a una temperatura por debajo de su punto de fusión (815 – 870 °C) y luego enfriarlo lentamente, para provocar en dicho metal propiedades que posee a temperatura normal (perlitica) y que pudo haber perdido a consecuencia del trabajo mecánico o por tratamiento térmico. El recocido produce la destrucción de las tensiones internas. La temperatura de recocido hace al metal más maleable (dúctil y blando), hace desaparecer las tensiones existentes. Además hace más homogéneo al metal: se presta para mejorar las propiedades de las piezas obtenidas por colado favoreciendo la formación de un equilibrio químico y estructural. TEMPLE Se calienta el material hasta los 780 – 880 °C y se enfría rápidamente, esto permite la formación de MARTENCITA que produce la dureza, esto depende de la aleación, del agente enfriador y rapidez con que se obre. REVENIDO Luego del temple se calienta el material a una temperatura mayor de 721 °C (en gral. 100° - 350 °C en aceros puros), y se enfría lentamente, esto se hace para convertir el acero de alta resistencia. Destruye la fragilidad del temple y las tensiones que en el se producen.
  • 24. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 23 BOLILLA Nº 02 Ensayo de materiales: Clasificación de los ensayos: El ensayo de los materiales abarca un panorama muy amplio, porque sus objeto puede consistir en efectuar tanto el estudio, como el control de los materiales, si se destruye o no la probeta, y la velocidad del ensayo, por lo tanto daremos las siguientes clasificación: • Una primer clasificación de acuerdo a: ESTUDIO O CONTROL DEL MATERIAL 1. ENSAYOS CIENTÍFICOS: Es el ensayo que se realiza para conocer el material, por ejemplo la determinación de su Modulo de Elasticidad, que serviría luego para los cálculos de resistencia, deformación, etc. 2. ENSAYOS TECNOLÓGICOS: Este ensayo tiene por objeto prever el comportamiento de un material, de un elemento estructural, ante el uso al que serán destinado. 3. ENSAYOS DE CONTROL: Es un ensayo de comparación o un ensayo con fines de selección, mediante este ensayo se establece un orden de preferencia de una serie de productos destinados a un mismo fin. • Una segunda clasificación seria de acuerdo al ESTADO FINAL DE LA PROBETA. 1. ENSAYOS DESTRUCTIVOS: Son todos aquellos ensayos en que el cuerpo de prueba (ya sea esta una probeta, una pieza de maquina o una estructura) se somete a cargas crecientes hasta alcanzar un estado limite tal que tanto puede significar la rotura del material o su agotamiento, que dejaría al mismo imposibilitado de utilizarlo posteriormente (la mayoría de los que veremos). 2. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS: En este ensayo, se trata de obtener la mayor cantidad de información, sin impedir que los mismos puedan seguir desempeñándose en el ámbito que le compete y con las mismas condiciones de seguridad (ensayos de dureza, ensayos de resistencia estructural del hormigón, utilizando el Esclerómetro o por ultrasonido). • Una tercer clasificación seria de acuerdo a la VELOCIDAD DEL ENSAYO: 1. Estáticos: aplicación lenta y progresiva de la carga, la rotura se lleva a cabo en el lapso de algunos minutos. También dentro de este ensayo se puede presentar que el ensayo deba durar horas, días o meses estaríamos en presencia de un ensayo ESTATICO DE LARGA DURACIÓN. 2. Dinámicos: cargas dinámicas, donde la rotura del material es en cuestión de segundos o instantánea. • Una ultima clasificación de acuerdo al TIPO DE ENSAYO: 1. Tracción: metales, plásticos, morteros, madera y tierra. 2. Compresión: metales, hormigón, plásticos y madera. 3. Flexión: metales y maderas. 4. Torsión: metales y hormigón. 5. Corte: metales, maderas y tierras. 6. Fatiga: metales, plásticos. FATIGA
  • 25. 24 Si sometemos a una pieza metálica a esfuerzos variables y repetidos un gran numero de veces, se podrá observar que la pieza se rompe bruscamente y sin que sufra deformaciones permanentes; y con una carga inferior a la que soportaría en un estado estático; ESTO ES FATIGA. Actualmente se admite que la rotura por fatiga es una fractura progresiva, que se inicia en un punto o zona de fuerte concentración de tensiones, cuyo origen obedece a irregularidades superficiales, a cambios bruscos de forma, a la existencia de fisuras internas miscrocopicas, defectos propios del material, tales como porosidades, escorias, impurezas. TIPOS DE TENSIONES EN LA SOLICITACIÓN POR FATIGA Distinguimos dos tipos fundamentales de solicitaciones. CARGAS OSCILANTES: Los valores extremos son de signos contrarios. CARGAS PULSATORIAS: La tensión varia entre dos valores extremos sin cambio de signo. Cada uno de ellos admite un caso particular que nos conduce a los 4 tipos de cargas (2 en cada tipo de carga). CARGAS OSCILANTES σa σa σ 1 σ2 σm = 0 σ1 σ m σ2 t + σ − σ− σ + σ + − − + t 1°) SIMETRICO O PURO 2°) ASIMETRICO Ciclo alternado asimétrico: tensiones distinto signo y valor. Alternos: 1º) simétrico o puro: ( ) 2 21 ss s −+ =m como σ1 = –σ2 ⇒ σ m = 0 ∧ σa = σ1 – (–σ2) = σ1 + σ2 2º) asimétrico: ( ) 2 21 ss s −+ =m ∧ σa = σ1 + σ2 Siendo: σ m = Tensión media σ a = Amplitud CARGAS PULSATORIAS:
  • 26. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 25 σ 1 t σ σ 2 = 0 σ m t σ σ m σ1 σ2 σa 3°) INTERMITENTE 4°) ASIMETRICO 3º) Intermitente: 2 1s s =m ∧ σa = σ1 puede ser (+) o (–), pero siempre un solo signo, su valor va desde 0 a un valor determinado. 4º) Asimétrico: 2 21 ss s + =m ∧ σa = σ1 – σ2 ENSAYO DE FATIGA – CURVA DE WOHLER: Se usan probetas a las cuales se las someten a solicitaciones simples, que producen tensiones dinámicas, las que se repiten entre dos límites hasta llegar a la rotura. A la probeta (ver figura), que se lo toma con las mordazas, se le imprime un movimiento de rotación por medio de un motor, mientras se le aplica una carga conocida. La probeta queda sometida a una flexión alternada, ya que la cual se invierte cada 180º por el giro de la probeta. Produciéndose sobre las secciones transversales tracción y compresión en forma alternada simétrica. Esto produce fisuras que se van propagando lentamente, reduciendo el área hasta un punto tal en que la probeta no pueda resistir la carga aplicada y se rompe. PROBETA
  • 27. 26 MAQUINAENSAYOFATIGA Estudiando el caso de flexión rotativa se comprueba que al aplicar a la probeta un peso que origine un esfuerzo ligeramente inferior al de rotura por tracción y esto acontece en pocos giros o ciclos, repitiendo la experiencia sobre probetas iguales, del mismo material y bajo las mismas condiciones, pero con disminuciones progresivas de la carga, las fracturas se producen al cabo de un Nº cada vez mayor hasta llegar a un peso en que los esfuerzos toman valores tales que la rotura tiene lugar para varios millones de ciclos, que se pueden considerar infinitas. A este valor del esfuerzo, bajo el cual el material no se rompe al aumentar indefinidamente los ciclos, se lo denomina LIMITE DE DURACION O RESISTENCIA DE FATIGA por lo tanto definiremos. RESISTENCIA A LA FATIGA: Es la máxima amplitud (σa) que superpuesta en ambos sentidos a la tensión media (σm) estática, actuando un numero ilimitado de reiteraciones no provoca la rotura a la probeta ni una deformación plástica superior a la admisible. Límite convencional mayor a 2x10 6 = el material no se rompe. Al Nº mínimo de ciclos, bajo el cual el material no rompe se lo llama “ Nº límite de solicitaciones o ciclos ” y corresponde al límite de fatiga o duración. Con los datos de cada uno de los ensayos, los cuales trasladaremos a un eje de coordenadas, indicando la σmax y el N° de ciclos a la que fallo, obtendremos diferentes puntos por los cuales trazaremos en forma compensada una curva, obteniendo así la CURVA DE WOHLER. La curva de Wohler, no da la exactitud de las propiedades mecánicas del material, pero sí indica la resistencia en tiempos u horas de vida que tendrá el metal cuando se lo somete a esfuerzos superiores que al de la resistencia de fatiga que posee. N=N° DE CICLOS σF σ MAX CURVA DE WOHLER Resistencia a la fatiga La curva es asintotica paralela al N° de ciclos, a medida que disminuye el esfuerzo σ est. Cuando el N° de ciclos del ensayo es igual a cero, estamos indicando la tensión estática (σest), ya que no hay giro de la probeta, por lo tanto es la tensión de flexión. DIAGRAMA DE FATIGA Cada curva de Wohler representa los ensayos de fatiga realizados con una misma tensión media y diferentes amplitudes. Por lo tanto constituye solo la representación parcial de un ensayo de
  • 28. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 27 fatiga. Otras condiciones de ensayo dan lugar a otras tantas curvas de Wohler, que corresponden a distintas zonas de solicitación. Resulta así de interés trazar un solo diagrama que reúna las relaciones entre las tensiones medias, las amplitudes y las tensiones máximas y mínimas, así como las condición limite de la resistencia estática. Sobre un sistema de coordenadas ortogonales, con igual escala, se toma sobre el eje de las abscisas las tensiones medias y sobre el de ordenadas las tensiones máximas (σ1) y mínimas (σ2), medidas a partir de una línea trazada a 45° a partir del punto 0 de coordenadas, que me indicaría la tensión media (σm). Al mismo tiempo, dicha recta divide en partes iguales a la tensión de amplitud (σa). Para la construcción practica de este diagrama (siempre basándonos en la curva de Wohler), en cada punto de la línea a 45° que corresponde a un ensayo de Wohler en que las tensiones medias (σm) es constante para cada curva, se ubica hacia arriba y hacia abajo el valor del limite de fatiga σF obtenidos en ese ensayo, luego de varias proyecciones de los distintos ensayos, unidos entre si estos punto, proporcionan las dos curvas limites del diagrama de SMITH (σ1, σ2). Los puntos ubicados dentro de la entre ambas curvas (zona rayada), corresponden a ensayos de fatiga en que la probeta no rompen; todos aquellos puntos ubicados fuera de esas curvas representan a probetas que rompen por fatiga. Donde ambas curvas se cortan, punto D, σa = 0, por lo que se tiene la tensión de rotura estática (σR) -que seria el que se obtiene en el ensayo de tracción-. Pero para fines prácticos no es aconsejable trabajar con este limite de tensión, por lo que se adopta como limite el limite de fluencia (σe). Para ello se marca σe en ordenadas y se traza una horizontal, donde dicha horizontal corta la curva (punto A) se proyecta ese punto a la curva inferior (punto B), se continua la horizontal hasta cortar a la línea a 45° y obtenemos el punto C, por ultimo unimos el punto C con B, quedando así delimitado el diagrama con respecto a la tensión de fluencia. En este diagrama quedan reflejados todos los tipos de cargas que hemos definido al inicio de este tema. +σ (tracc) −σ (comp) Tipo1 Tipo 2 Tipo 4 Tipo3 σ e σ R σ1 σ 2 σa σ m σ (tracc) CA B D Efectos que varían la resistencia de fatiga: a. Efecto del tratamiento térmico: los valores de la fatiga varían con la composición del metal, estructura del grano y tratamiento térmico. Con este se comprobó que los aceros de aleaciones y de alto porcentaje de C mejoran su resistencia a las tensiones repetidas en hasta un 22% al ser tratadas térmicamente. b. Terminado de las superficies: es muy importante, así las que están pulidas al máximo, presentan mayor vida que las de pulido corriente y estas ofrecen mayor resistencia que las
  • 29. 28 torneadas. Por trabajar en el torno, la resistencia de fatiga disminuye como consecuencia del arranque de viruta que afecta a la superficie del metal. c. Efectos de la entalladura: las experiencias de Moore y Kommers demuestran que la fatiga disminuye un 65% cuando se efectúa en el centro de la probeta una entalladura en V con un ángulo de 30º. Así la relación entre la resistencia obtenida sobre una probeta lisa con la de la probeta entallada permite determinar un coeficiente de forma Kf que dependerá del material y forma de la ranura. Kf = entalladaprobetalasobrefatigadetensión lisaprobetalasobrefatigadetensión d. Efecto de la corrosión: si la probeta es atacada por un agente corrosivo (agua dulce o salada) la resistencia experimenta una disminución. e. Efecto del trabajo previo. f. Efecto de la frecuencia y del tamaño de la pieza. g. Efecto del método de ensayo. Determinación del tiempo de fraguado del cemento: Fraguado: proceso químico que tiene lugar cuando el agua se combina con el cemento. El tiempo de fraguado se puede dividir en 2 períodos: inicial: tiempo que trascurre desde el momento en que se agrega el agua, hasta que la pasta dejo de ser fluida. Final: fraguado propiamente dicho, se obtiene cuando el material adquiere cierta dureza. Cementos de Para determinar los tiempos es necesario, llenar el molde del aparato de Vicat con una pasta de consistencia normal, fijándose como comienzo del fraguado al tiempo que transcurre desde el momento en que se agrega agua al cemento hasta que la aguja de 13 mm de diámetro, y de peso total de 300 gramos, atraviese el molde que contiene la pasta o bien se detenga a 0,5 mm de su escala. El tiempo final se tomará desde el instante que deja de cumplirse lo anterior hasta que la aguja penetre en la pasta 1 mm (el período termina en el momento en que la aguja deje restos apenas visibles). Los tiempos de fraguado se ven afectados por la cantidad de agua de la mezcla, por su temperatura y por la humedad. SOPORTE PARA SONDA DE TETMAJER O VICAT Preparación de las probetas: Se debe homogeneizar el cemento y separar los agregados según su granulometría, para mezclarlos en el pastón de prueba. Fraguado rápido: período inicial en no menos de 2 minutos y final en no más ............................de 3 horas. Fraguado lento o normal: tiempo inicial no menos de 45 minutos ni mayor de ..........................................3 horas y el final no pase de 10 horas.
  • 30. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 29 La resistencia del hormigón resulta del promedio de 3 ensayos, por lo que se deben preparar 4 o 5 probetas del mismo material. El pastón se obtiene mezclando cemento y agregados (en un recipiente limpio e impermeable) hasta la obtención de un color uniforme, luego se vierte el agua estipulada. La probeta se prepara colocando en los moldes 3 capas de material de volúmenes aproximados, las que se apisonan con una varilla de punta redonda. Una vez apisonadas y alisada la capa superior, se tapa el molde para evitar la evaporación del agua y luego de 3 o 4 horas se efectúa el encabezado de la probeta (agregado de una capa de mortero de cemento sobre su superficie). El terminado del mortero debe ser del menor espesor posible y no debe desprenderse, ni rajarse durante el ensayo. INDICE DIESEL Es igual al producto del punto de anilina del combustible, por su densidad expresada en grados API, dividido por 100, siendo el punto de anilina la mínima temperatura a la que son totalmente miscibles volúmenes iguales de anilina e hidrocarburo. En los combustibles ordinarios el índice diesel varia entre 35 y 75. Expresa la facilidad de inflamación. Nº cetano: Medida de la calidad de ignición de los combustibles para motores diesel. El Nº cetano es igual al porcentaje de cetano (hidrocarburo líquido) en una muestra de referencia de calidad de ignición igual al de la muestra que se ensaya. Nº ceteno: Medida de la calidad de ignición de los combustibles de motores diesel. No es utilizado pues ha sido reemplazado por el N° Cetano. 1 unidad ceteno = 0,875 unidad de cetano Ley de las fases - Ley de Gibbs: Alotropía: propiedad en virtud de la cual un elemento puede existir en 2 o más formas con distintas propiedades (estado cristalino, peso específico, propiedad magnéticas). Las propiedad de los elementos experimentan variaciones bruscas a determinadas Temperaturas, llamadas temperaturas críticas y la presencia de sustancias extrañas pueden influir mucho sobre la temperatura en que se verifican esas discontinuidades. Ley de las fases: El equilibrio químico de una mezcla de un numero cualquiera de elementos o sistemas químicos, depende de un cierto numero de factores independientes cuya variación puede dar lugar a cambios de estado o de constitución. Se consideran como factores independientes, la presión y la temperatura. En metalurgia y en estudios metalograficos los efectos de la presión se consideran despreciables; por lo tanto, tenemos como único factor independiente, la temperatura. Haciendo variar cualquiera de estos factores, variaran las condiciones de equilibrio del sistema. (Se dice que un sistema esta en equilibrio, cuando todas sus variaciones o modificaciones internas han cesado). Si se hiciera variar uno de los factores mencionados, se producen reacciones en el interior del sistema, hasta alcanzar el nuevo estado de equilibrio. Por ejemplo si se hace una mezcla de agua y sal, el agua disolverá una cierta y determinada cantidad de sal y el resto de la sal quedara en estado sólido dentro del agua. El sistema entonces estará en equilibrio. Si se hace variar la temperatura de la mezcla, se producirá una nueva disolución o precipitación de sal (según la temperatura aumente o disminuya) hasta que la mezcla alcance un nuevo estado de equilibrio.
  • 31. 30 En este ejemplo podemos considerar la temperatura como una variable independiente, y la cantidad de sal disuelta para que la mezcla se encuentre en equilibrio, como una variable dependiente de la primera. FASES: Se llama fase de un sistema la parte de dicho sistema diferenciable físicamente y separable por medios mecánicos; se puede decir que fase es toda parte homogénea, de un conjunto heterogéneo. Así un sistema homogéneo, esta constituido por una sola fase; en cambio otro heterogéneo esta formado de varias fases. El ejemplo anterior de agua y sal es un sistema con dos fases; la sal sólida y la solución de agua – sal. Otro ejemplo seria. El agua liquida, el hielo y el vapor de agua, son las tres fases en que puede presentarse la sustancia agua. A 0 grado y presión ordinaria se puede conseguir un sistema a dos fases, formado por agua liquida y hielo. GIBBS ha dado la expresión matemática de la ley de las fases, la cual permite fijar el grado de libertad de un sistema, es decir, el numero de factores independientes que se pueden variar arbitrariamente, sin que el equilibrio del sistema varíe (el numero de fases se altere). La ley de las fases se representa por la ecuación: j−+= )1(nv donde: v = representa los grados de libertad del sistema. n = El numero de compuestos independientes. ϕ = El numero de fases. Se llama compuestos independientes los cuerpos en que se puede hacer variar arbitrariamente la masa, sin cambiar la definición del sistema. Cabe aclarar que la expresión de la ley de las fases, escrita mas arriba, se encuentra ya simplificada en lo que a los factores de equilibrio se refiere, pues en la expresión general de dicha ley: j−+= )( pnv se ha sustituido a p (números de factores de equilibrio) por el numero 1, al considerar únicamente como tales a la temperatura, despreciando a la presión y a todos los demás factores de menor importancia (campo magnético, fuerzas capilares, etc) Cuando v<0: el equilibrio del sistema es imposible, tal seria el caso de un cuerpo bajo los tres estados (sólido, liquido y gaseoso), el equilibrio no es posible para cualquier temperatura. Cuando v=0: el equilibrio subsiste a una sola temperatura que seria la del punto de fusión o de transformación. El sistema que esta en equilibrio para esa temperatura es también perfectamente definido (INVARIANTE). Cuando v>0: el equilibrio subsiste a muchas temperaturas, pero para que el sistema sea definido es necesario conocer además de la temperatura, la proporción de un constituyente en n-1 fases o la proporción de n-1 constituyentes en una fase. Cuando v = 1 (MONOVARIANTE) Cuando v = 2 (BIVARIANTE) APLICACIÓN DE LA LEY DE LAS FASES: Caso de un metal puro: (n=1) Si consideramos una sola fase, metal sólido por ejemplo: ϕ= 1 luego aplicando la ley: 1111 =−+=v >0 El equilibrio subsiste a varias temperaturas.
  • 32. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 31 (puntos A-P en liquido y puntos F-B en sólido) Considerando dos fases: Metal sólido y liquido simultáneamente ϕ=2 resulta 0211 =−+=v El equilibrio subsiste a una sola temperatura, que es la fusión del metal (Puntos P – F). Si las fases fueran tres: ϕ=3 se tiene 1311 −=−+=v <0 El equilibrio es imposible. Temp. de fusion = T F P SOLIDO tiempo LIQUIDO T° L=1+1-1=1 (univariante) L = 1+1-2=0 (invariante) L=1+1-1=1 (univariante) A B CURVA ENFRIAMIENTO METAL PURO Caso de una aleación binaria: (n=2) Si consideramos tres fases estas pueden subsistir a una sola temperatura, pues resulta v=0. El sistema no admite ningún grado de libertad para la variable independiente. Por ejemplo la aleación Bismuto – Estaño, a una temperatura fija (143 °C) puede subsistir en tres fases simultáneamente: bismuto sólido, estaño sólido y una mezcla liquida de estaño y bismuto; si se varia la temperatura se rompe el equilibrio. Si suponemos el caso de dos fases (aleación liquida y aleación sólida) ϕ=2, entonces v=1; tendremos un grado de libertad, es decir, que podemos variar la temperatura entre ciertos limites, subsistiendo siempre las dos fases: liquida y sólida. Se entenderá mejor pensando en el ejemplo agua y sal, en el cual deseamos que subsistan simultáneamente las dos fases, es decir, agua con sal disuelta (fase liquida) y sal sólida (fase sólida). Tenemos n=2, ϕ=2, resultando v=1. Podemos por lo tanto variar la temperatura del conjunto dentro de ciertos limites, y las dos fases siempre subsistirán, pero para cada temperatura se producirá una concentración única y definida de la sal en el agua. (E) Eutéctica: mezcla cristalina que funde a una temperatura menor a la de sus componentes. Los metales constituyentes son parcialmente miscibles al estado sólido. Realizamos el análisis aplicando la regla de las fases.
  • 33. 32 A T° Q'Q T T' P' F F' E P N N'M' M B C D S' sol. solida sol. solida univariante I - aleacion liquida K III - sol. y liq.II - sol. y liq. %C sol. solida Ι) La región delimitada por QEQ´ (zona Ι) hay una sola fase; la fase líquida; el sistema es bi- variante, la temperatura y la concentración varían sin que se varíe el equilibrio, es decir sin que se solidifique. v = 2 + 1 – 1 = 2 Para una aleación K, cuando alcanza el punto F, el líquido comienza a solidificarse y hay 2 fases (1 sólida y otra líquida) ⇒ el sistema es UNIVARIANTE. v = 2 + 1 – 2 = 1 Si desciende la temperatura de T a T´, la fase líquida varía de F a F´ y la solución en equilibrio con aquella de P a P´. En (ΙΙ) y (ΙΙΙ), las aleaciones forman un sistema UNIVARIANTE por lo tanto al variar la temperatura se origina una modificación de la concentración y viceversa. En el punto E “ eutéctico “ coexisten 3 fases (2 sólidas y 1 líquida) el sistema no tiene ningún grado de libertad. v = 2 + 1 – 3 = 0 En las zonas de AQSB y DQ´S´C el sistema tiene 2 grados de libertad y existen solo una fase sólida. v = 2+1-1=2 En la zona BSS´C están presentes 2 fases (solución Q y otra Q´) el sistema es UNIVARIANTE. v = 2+1-2=1 Aleaciones livianas: (de gran dureza, pero peso liviano) Se llaman así a las aleaciones de aluminio (Al). Tienen gran importancia en la construcción. Estas aleaciones se fabrican por fusión en hornos de crisol o en hornos a inducción de baja frecuencia, pueden laminarse. Ejemplos: Aleaciones con hasta 12% de Cu para pistones. Aleaciones con hasta 10% y 13% de Si para fundir piezas de formas complicadas. Aleaciones con Mg para piezas laminadas y perfiles. Aleaciones con Zn para piezas de poca importancia.
  • 34. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 33 BOLILLA Nº 03 ENSAYOS ESTÁTICOS Máquinas de ensayo: las máquinas empleadas para los ensayos de tracción de barras y perfiles son del tipo “universal” y pueden adoptarse a experimentos de compresión, flexión, corte y torsión. Las más utilizadas: Amsler 50 tn, Riehle de 12,5 tn y Mohr-Federhlf de 200 tn. Estás máquinas constan de: • Prensa hidráulica. • Bomba de aceite con inyección regulada. • Dinamómetro (instrumento para medir fuerzas o potencias), registrador de carga y diagrama. MAQUINA UNIVERSAL PROBETA EN COMPRESION PROBETA EN TRACCION PISTON DIAL DE CARGA DEFORMACIONES PLASTICAS Continuando el estudio que se inicio en la bolilla 1, en Relación Esfuerzo-Deformación, seguiremos con el grafico de Esfuerzo-Deformación del acero para conocer ahora la ZONA PLASTICA, y sus características.
  • 35. 34 DEFORMACIONES ZONA II plastico ZONA I elastico ESFUERZOS F MAX ∆LMAX A = límite de elasticidad o proporcionalidad. B = límite de elasticidad práctica. C = límite inicial de fluencia. D = límite final. E = carga máxima. F = rotura de la probeta. Zona Ι = período elástico. (Estudiado en bolilla 1) Zona ΙΙ = período plástico. (Estudiaremos este caso) 1 = Zona elástica. La deformación es proporcional a la carga y desaparecen al cesar dicha carga. 2 = zona de alargamiento permanente. El tramo AB se confunde con la recta inicial, en B se obtiene la máx. tensión hasta la cual el alargamiento permanente es tan pequeño que se lo puede considerar prácticamente elástico. 3 = zona de fluencia. 4 = zona de alargamiento homogénea después de D en toda la probeta, por efecto de deformación hay un endurecimiento, acritud hasta E, donde adquiere la carga máxima. 5 = zona de estricción, la acritud subsiste pero hay una disminución de secciones transversales y la carga disminuye hasta la rotura. Tramo CD: el material fluye o cede sin que aumentara la Tensión hasta D, pasando D con ayuda. • El límite teórico de elasticidad: se determina con un extensómetro, que mide la deformación en la zona de rotura; se somete a la rotura con sucesivos esfuerzos crecientes y entre 2 estados de cargas se descargo verificando si se produjeron alargamientos permanentes. “ La mayor tensión que se alcanzo es el límite”. • El límite aparente de elasticidad: se establece determinando el límite de fluencia: 1)directamente en el diagrama, la tensión que corresponde al límite de fluencia; 2) observando si la aguja de la máquina sufre algún retroceso o se detiene (en la práctica). Durante el ensayo de tracción, si se descarga la probeta, luego de alcanzar la zona plástica (A), pero antes de producirse la ruptura, la curva σ −ε cambia de forma. La longitud de la probeta tiende a recuperarse (RE), pero no alcanza la longitud inicial, quedando con una longitud mayor,
  • 36. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 35 que se denomina deformación permanente (DP). A nivel gráfico, la curva se devuelve con la pendiente de la zona elástica. σ 0 ε A DESCARGA CARGA DP RE DT Finalmente, si la curva σ - εdel material no presenta claramente dónde termina la zona elástica y comienza la zona plástica, se define como punto de fluencia al correspondiente a una deformación permanente del 0,2%. La Figura ilustra lo anterior, mostrando el diagrama de esfuerzo contra deformación para cobre policristalino. Región elástica y región plástica inicial que muestra el límite de fluencia para una deformación permanente de 0,2%.
  • 37. 36 Para determinar el limite de proporcionalidad trazamos una recta acompañando la recta inicial del diagrama, en el punto donde dicha recta se separa del diagrama seria el limite de proporcionalidad, que seria el limite de la zona elástica y donde comenzaría la zona plástica, luego marcamos sobre el eje de εel 0,2 % de deformación (en función a la longitud inicial de la probeta) y trazamos otra recta paralela a la de proporcionalidad, al cortar el diagrama estamos en el punto de fluencia buscado. ENSAYOS DE CHOQUE La mayoría de los ensayos no me indican la fragilidad del material, o sea de romperse cuando son sometidos a choques bruscos, como en la actualidad se esta utilizando el material al máximo, reduciendo en lo posible las dimensiones de las piezas, muchas de ellas perfectamente calculadas al esfuerzo estático, se romperían por efecto de la brusca variación de los esfuerzos. Por lo tanto se debe conocer la forma de responder el material a este efecto. Esta propiedad del material se denomina RESILIENCIA, que seria la ausencia de fragilidad. Máquinas de ensayo de choque: Se agrupan en: pendulares, de cabeza giratoria, y de impacto vertical. • Pendulares: impacto con una masa o martillo oscilante. Las más conocidas: Charpy, Izod y Oxford en la cual el péndulo y la masa son suspendidos por medio de alambres para evitar la pérdida de energía debido a la fricción y vibraciones; lo que sucede en las 2 anteriores a esta. • De cabeza giratoria: Guillery, está compuesta por una rueda con el dispositivo de impacto, la energía de choque se mide según un dispositivo hidráulico. • De impacto vertical: Fremont y Turmer estas producen la rotura por medio de una masa que rompe a la probeta por flexión o compresión. ENSAYOS DE FLEXION POR CHOQUE: Los elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de carga sufren rotura instantánea al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad. Por lo tanto los ensayos de choque me determinan la capacidad del material de absorber esa carga de impacto (resistencia al choque) y además comprueba si una máquina o estructura fallara
  • 38. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 37 por fragilidad bajo condiciones de trabajos; en especial si hay concentraciones de tensiones, por cambios bruscos en la sección, o maquinados incorrectos. METODO DE FREMONT: Consta de una cuchilla (C) con masa (M) de 10 – 15 kg con una caída de 4 m, la cuchilla de un largo tal que rompa la muestra sin que la masa (M) toque la plataforma (P); Luego de rota la probeta, la masa (M) continua su caída golpeando la plataforma, deformando los resortes R, dicha deformación se indica en el dial, dándome la fuerza residual, que por diferencia con la inicial me indica la fuerza de rotura. MAQUINA DE FREMONT M C 10 - 15 kg R P DIAL PROBETA 8 x 10 MÉTODO DE CHARPY: La probeta es como la indicada en la figura, la maquina es pendular con un peso W, le damos un ángulo de lanzamiento α y se suelta dicho peso para que golpee la probeta, rompiéndola, el peso continua su recorrido marcándome un nuevo ángulo β, con estos ángulos podemos obtener las energía antes del golpe y luego del mismo, que por diferencia de estas energías obtenemos la energía necesaria para romper la probeta. W β a' a L PROBETA W 160 2 13 diam 4mm 30x30 mm MORDAZA PROBETA b o W = peso del martillo L = distancia del centro de oscilación α = ángulo inicial β = ángulo después fractura
  • 39. 38 1. altura caída martillo = acosLLab −= energía del martillo antes del golpe: )cos1(.)cos(1 aa −=−= LWLLWW 2. altura martillo luego del golpe = bcos' LLba −= energía después del golpe: )cos1(.2 b−= LWW 3. energía absorbida por el golpe: )cos(cos.21 ab −=⇒−= LWWfWWWf Se debe tener en cuenta la energía desperdiciada por rozamiento durante el ensayo, para ello debemos hacer trabajar el péndulo sin probeta, obteniendo α y β de rozamiento, obteniendo: )cos(cos. ab −= LWWfr Que se descontara del Wf del ensayo. FLEXIÓN POR CHOQUE DE BARRAS EMPOTRADAS (METODO DE YZOD): 1º) La probeta se coloca en voladizo, en posición vertical, sujeta por la mesa de apoyo. La entalladura queda en el plano de las mordazas. El martillo golpea a 22 mm. 2º) Cuando tengo probetas circulares, la ventaja es que puedo colocar la energía de rotura sobre las caras o generatrices opuestas y a distintas profundidades de la muestra, las máquinas más usadas son las del tipo pendular (Amster). MAZA PENDULAR MORDAZA PROBETA PROBETA VALORES DE CHOQUE O RESILENCIA (ρ )ρ )       === 2)2(sec )( cm Kgm cmcion KgmTabajo S t r S = sección deducida la entalladura
  • 40. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 39 ENSAYOS DE MADERAS Los ensayos de maderas son variados y varios de los casos de forma perpendicular a la fibra y/o transversal a la misma, esto se debe a las diferentes formas que se hace trabajar a las piezas de madera, por ejemplo en esta cabriada tenemos varios ejemplos de las distintas solicitaciones que trabajan. TRACCION // A LA FIBRA COMPRESION // A LA FIBRA COMPRESION PERP. A LA FIBRA CIZALLAMIENTO // A LA FIBRA COMPRESION PERP. A LA FIBRA RESISTENCIA A LA FLEXION: Este es el ensayo más importante. Se realiza en forma perpendicular a las fibras, ya que la mayoría de las piezas a utilizar en estructuras trabajarían de esta forma por la manera de cortar los árboles, ya que las piezas solicitadas a flexión normalmente son largas, esto implica que las cortarían a lo largo del tronco. La probeta es de sección cuadrada de 5 x 5 cm y 75 cm de largo, los apoyos se ubican a 2,5 cm de los bordes, quedando una luz de 70 cm; de modo que se comporte como una viga simplemente apoyada, el peso P se aplica en el centro de esta luz, se da una carga inicial de 5 a 10 kg, para fijar la probeta en sus apoyos, que con el objeto de permitir el libre desplazamiento de la probeta son de forma de rodillos. y luego se aumenta la carga en 50 kg y de allí en forma progresiva se va aumentando la carga hasta la rotura, a medida que se va aplicando la carga se va anotando su flecha (deformación), en el grafico al principio va dando una recta, hasta el momento en que la probeta empieza a ceder (es el periodo elástico) en el cual en el grafico da una curva y luego sobreviene la rotura. 70 cm CARGA 5 x 5 cm ENSAYOS DE TRACCIÓN: Este ensayo se efectúa en sentido paralelo a la fibra, se utiliza la maquina universal, de este ensayo queda la desventaja del aplastamiento o cortadura que experimenta el material al ser tomado por la mordaza o sistema de sujeción de la maquina de ensayo, que provoca generalmente la rotura fuera de la zona calibrada (1/3 medio de la probeta). Con el objeto de eliminar este inconveniente, las probetas se construyen con extremos muy ensanchados con respecto a la parte calibrada (como el de la figura).
  • 41. 40 Bajo esfuerzos de tracción axial, las fibras de las maderas actúan en mejores condiciones que en los casos de compresión. Las deformaciones que experimenta la madera sometidas a cargas paralelas son muy pequeñas, sobreviniendo la rotura en forma instantánea al destruirse algunas de las fibras de una sección, que será la de fractura, presentándose esta en forma astillada. ENSAYOS DE COMPRESIÓN: La resistencia a la compresión se determina sobre probetas cúbicas de 5 cm de lado en el sentido paralelo a las fibras, y en sentido perpendicular a las mismas. Sentido perpendicular a las fibras: PLACA DE ACERO 5 5 5 15 Sentido Paralelo: En la figuras se ven distintas formas de fallas en las probetas. ENSAYO DE CORTE: El ensayo de la madera al corte, se realiza en el sentido perpendicular a las fibras y en el sentido paralela a las mismas, por una maquina que sujeta la probeta sin producir flexión. El corte de la probeta puede hacerse en una sola sección, a modo de tijera, o en dos secciones diferentes, en que la distancia entre los apoyos debe ser exactamente el espesor de la pieza superior que producirá el corte.
  • 42. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 41 5 1.9 5 6.25 5 CARGA PLANO DE CORTE PROBETA HERRAMIENTA PARA CORTE Dureza: Estos ensayos me dan las características físico-mecánicas de la madera; de modo que las puedo clasificar en duras, semi-duras, blandas y muy blandas. Métodos: Brinell: determina la relación entre la carga aplicada a una bolilla de acero y la superficie de penetración que experimenta el material. El diámetro de la bolilla = 10 mm; carga 100 a 500 Kg. Janka: mide la dureza por la carga que requiere un penetrador esférico de 11,21 mm de diámetro., Para introducirse hasta su sección media o sea obtener una flecha igual a su radio. Módulo de elasticidad de la flexión: Uno de los objetos del ensayo de flexión, es el de determinar el modulo de elasticidad longitudinal de la madera, al emplearse la probeta sometida a una carga concentrada aplicada en su punto medio, la determinación de la flecha se realiza mediante la siguiente ecuación de la elástica. IE lp f . . . 48 1 3 = ⇒ para una sección rectangular 12 . 3 hb I = remplazando nos queda: 3 3 .. . . 4 1 hbf lP E = Las cargas y las flechas deben tomarse en el período elástico. Hornos de cubilotes: Es un horno a eje vertical, denominado horno de cuba, en el cual se coloca por capas alternadas el combustible y el metal a fundir, por la parte inferior se inyecta aire a presión por medio de toberas para activar la combustión Esta formado por una envoltura cilíndrica de chapa de acero dulce (remachado o soldado eléctricamente). Esta envoltura esta revestida interiormente con mampostería refractaria para protegerla de las altas temperatura. Consta de las siguientes partes: 1. Parte de sostén: por lo general, son columnas metálicas o tubos que sostienen el cubilete. (4 columnas).
  • 43. 42 2. Cámara de viento: a la cual llega el aire proveniente de un ventilador y se reparte en el espacio anular para penetrar en el horno, pasando por las toberas, dispuestas en una o dos filas paralelas. 3. Boca de carga: por la cual se introducen los materiales. 4. Plataforma: donde se colocan los materiales que llegan a ella por medio de montacargas. 5. Chimenea: se encuentra en la parte más alta para la evacuación de los humos, defendida en la parte superior por un sombrerete y telas metálicas para evitar la salida de las chispas. BOCA DE CARGA CHIMENEA PLATAFORMA DE CARGA ESCORIADERO CANAL DE COLADA ENTRADA AIRE CRISOL SOSTEN CINTURON DE AIRE INTERIOR DEL HORNO TOBERA MIRILLA BOQUILLA TIMPA PORTAVIENTO TOBERAS Las cargas se componen de tres elementos. fundición, coque y fundente Su funcionamiento es el siguiente, denominaremos solera al fondo del cubilote, formada por un revestimiento refractario, sobre una puerta a bisagra que la sostiene, la capacidad del metal liquido que puede acumularse, esta dada por el volumen formado desde el fondo hasta un escurridero denominado ESCORIADERO que permanece siempre abierto y por el cual salen las escorias liquidas que sobrenadan. El volumen formado desde el fondo hasta la 1° fila de toberas, se denomina CRISOL. En esta zona cuela el metal liquido que se acumula, la salida de la escoria ya es un indicio del nivel de la fundición, la salida del metal por el escoriadero indica que el crisol esta colmado y que es necesario efectuar una sangría. La sangría se hace por el canal de colada. Este canal esta ligeramente inclinado para facilitar la salida del metal liquido. El metal sale por un agujero cerrado por un tapón de arcilla cuando el horno esta en funcionamiento. Por encima del escoriadero se encuentran las toberas, a través de las cuales circula el aire a la presión indispensable para mantener la combustión. Las toberas se comunican con las cajas de viento o cámaras de aire. La Zona de fusión esta compuesta por tres partes 1. Zona de fusión propiamente dicha. 2. Zona de combustión 3. Zona de colada En la zona de fusión la temperatura es tan elevada que la fundición al entrar en ella funde gota a gota, la atraviesa y se acumula en el fondo del crisol. El cubilote se carga previamente con cierta cantidad de combustible, (carga de encendido), hasta alcanzar a llenar el crisol y la zona de las toberas. Las cargas se completan luego con combustible, fundente, chatarra de fundición y lingotes de arrabio. Realizado el encendido y luego de calentado todo el horno se completa la carga, recién después de activar la combustión mediante el aire a presión proveniente de las toberas.
  • 44. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 43 El combustible de encendido que se consume es reemplazado por las cargas nuevas, las capas de coque, dilatándose se traban contra las paredes del cubilote máxime cuando existe una disminución del diámetro en las zonas de las toberas. Alcanzado el estado de fusión mediante una activación de la entrada de aire por las toberas el metal cuela y se acumula en el crisol, las escorias sobrenadan y salen por el escoriadero. Para retirar el metal fundido se rompe el tapón de arcilla que cierra el agujero de sangría, se recoge el metal con la cuchara y se vuelve a taponarse con nuevos tapones. Clasificación de las fundiciones: Son aleaciones de Fe y C. El origen de la fundición es el arrabio, fundición de 1º fusión entonces se clasifican en: A. Fundición de altos hornos: arrabio obtenido de los minerales de Fe directamente. B. Fundición de 2º fusión: es la que ha sido refundida una o más veces en un horno de cubilete, para obtener piezas de fundición y coladas en moldes. C. Fundición especial: uno o varios elementos aleatorios. La clasificación es basándose en el aspecto o color de la superficie es: • Fundición blanca: es basándose en el tenor de Mg. • Fundición gris: es basándose en el tenor de Si. D. Fundición maleable: aumenta el grado de tenacidad y resistencia a la rotura, con un sensible grado de deformación y es relativamente fácil de obtener. Tipos: • Maleable blanco: más rica en C; se hacen piezas de 3 a 4 mm de espesor. • Maleable negra: más pobre en C; se hacen piezas de 4 a 5 mm hasta 30 a 40 mm de espesor y aun mayores.
  • 45. 44 BOLILLA Nº 04 TRACCION Cuando a un cuerpo le aplicamos cargas normales, uniformemente repartidas, sobre sus secciones transversales tiende a producirse el alargamiento. Con este ensayo se puede verificar el comportamiento de los metales: Se determina su tenacidad, resistencia, dureza, etc. Podemos obtener: límite de elasticidad, carga máxima, resistencia estática y con estos valores hallamos la σ adm o de trabajo. 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. 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. Tener en cuenta que la grafica durante el ensayo se indica en ordenadas (Y) fuerzas en kg y en abscisas (X) alargamientos en mm. P P
  • 46. Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli 45 γ F1 ∆ 1 DEFORMACIONES ZONA II plastico ZONA I elastico ROTURA FUERZA Fmax Ff Fe gráfico obtenido en una máquina de ensayo de tracción para un acero. Curva Fuerza - Deformación de un Acero. La curva tiene 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. Se tiene entonces que en la zona elástica se cumple: F = K (L - Lo) F= fuerza K= cte del resorte L= longitud bajo carga Lo= 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. Deja de ser válida nuestra fórmula F = K (L - Lo) 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 y la fuerza que lo produjo la designamos como: F = Ff Una vez pasado el punto de fluencia la deformación durante el ensayo seria DT, si en ese instante suspendemos el ensayo, y retiramos la carga, la probeta tratara de recuperar su longitud inicial, pero como ya estamos dentro del periodo plástico, esta se recuperara en parte, retrocediendo la
  • 47. 46 deformación en el diagrama en forma paralela al tramo de proporcionalidad (OA) e indicándome que quedara una deformación permanente (DP), y se recuperara algo en su longitud, ya que aun parte de la probeta se comporta elásticamente (RE). Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un máximo en F = Fmáx. Entre F = Ff y F = Fmáx la probeta se alarga en forma permanente y repartida a lo largo de toda su longitud. En F = Fmáx la probeta muestra su punto débil, concentrando la deformación en una zona en la cual se forma un cuello (ESTRICCION). La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la carga deje de subir. Al adelgazarse la probeta la carga queda aplicada en menor área, provocando la ruptura. Estricción: reducción de la sección de un cuerpo cuando está sometido a una tracción suficiente. forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga máxima y luego de la ruptura. Considerando una probeta cilíndrica: Ao = πDo 2 /4 (SUPERFICIE TRANSVERSAL) 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 y el diámetro final Df , que nos dará el área final Af .