Materiales metalicos 2022.pdf

MATERIALES METÁLICOS
Magíster en Química mención
Tecnología de los Materiales
Química Avanzada de los Materiales
Dr. Abdoulaye Thiam
Programa institucional de Fomento a la I+D+i
Edificio ciencia y tecnología
Email: athiam@utem.cl
Fono: 2 2787 7906

2
Contenidos materiales metálicos
➢ Introducción
➢ Defectos y mecanismo de endurecimiento
- Dislocación
- Endurecimiento
➢ Propiedades mecánicas de los metales
- Tensión y deformación de metales
- Comportamientos mecánico del material en servicio

Bibliografía
3
1. Askeland, D. R (1998). Ciencia e Ingeniería de los Materiales. (3rd ed). México:
International Thomson.
2. Callister, William D (1995). Introducción a la Ciencia e Ingeniera de los Materiales.
Barcelona: Reverté.

4
Materiales metálicos son sustancias inorgánicas compuestas por uno o mas elementos metálicos y pueden contener algunos
elementos no metálicos.
Ejemplo de elementos metálicos
aluminio
Hierro cobre níquel Titanio
Los materiales metálicos pueden contener
elementos no metálicos como carbono,
nitrógeno y oxigeno.
Latón Aluminio Hierro
Cobre
Acero
Metal galvanizado
Bronce
Introducción

5
Introducción
➢ Los elementos metálicos tienen átomos electropositivos que donan sus electrones de valencia para
formar un mar de electrones que rodean los átomos.
➢ Dado que en la parte central faltan electrones con carga negativa, tiene carga positivo “núcleo de ion
positivo”.
➢ En los materiales metálicos, los electrones de valencia son libres de circular a través de todo el metal y
formando un “mar de electrones” o “nube de electrones”.
Enlaces metálicas
la disposición de los átomos de cobre en el cobre cristalino

6
Introducción
Las altas conductividades térmica y eléctrica de los metales se basan en la teoría de que algunos
electrones son libres para moverse a través de la celda cristalina del metal.
Modelo descriptivo del enlace metálico. Los iones positivos del metal forman una
red que se mantiene unida gracias a la nube de electrones que los envuelven.
Enlaces metálicas

7
Clasificación de las aleaciones
Aleaciones y metales ferrosos contienen un
alto porcentaje de hierro, como el acero y el
hierro fundido
Aleaciones férricas
Fundiciones C > 2% Aceros C <2%
Aleados No aleados
No inoxidables
Muy aleados Al
menos un elementos
en aleación >5%
Inoxidables Fe+Cr
(>10,5%) +C
Débilmente aleados
Elementos en
aleación uno < 5%
Ferríticos
Fe-Cr (10,5+30%)+
C(0,015+0,08%)
Martensíticos
Fe-Cr (12+19%)+
C(0,08+1,2%)
Austeníticos
Fe-Cr (16+28%)+
Ni(6+32%)+
C(0,08+1,2%)
Aleaciones y metales no ferrosos carecen de
hierro o contienen solo cantidades
relativamente pequeñas de este. Son ejemplos
de metales no ferrosos el aluminio, el cobre,
el zinc, el titanio y el níquel
Se buscan constantemente mejorar las
propiedades de las aleaciones actuales y
diseñar y producir nuevas aleaciones con
mejores propiedades de fuerza, resistencia a
altas temperaturas, deformación y fatiga.
Introducción

8
Los metales se empelan en números industrias; entre otras, la aeronáutica, la biomédica, de los semiconductores,
electrónica, energética, de estructuras civiles y del transporte.
Introducción
Dado que los materiales son necesarios para fabricar productos, los ingenieros deben conocer la
estructura interna y las propiedades de los materiales, de tal manera que puedan elegir los mas
adecuados para cada aplicación y crear los mejores metodos para procesarlos.

9
Defectos cristalinos y mecanismo de endurecimiento
Objetivos de aprendizaje
❖ Clasificar diversos tipos de imperfecciones cristalinas
❖ Describir el concepto de un deslizamiento, dislocaciones.
❖ Describir los defectos superficiales, limites de granos
❖ Describir varios de los mecanismos que se emplean para el endurecimiento de metales.

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1) defectos puntuales o de
dimensión cero
2) Defectos de línea o de una
dimensión (dislocaciones)
Defectos cristalinos y mecanismo de endurecimiento
Los metales contienen varios tipos de defectos que afectan a muchas de las propiedades físicas y mecánicas, que a su vez
afectan a muchas propiedades importantes de los materiales para ingeniería.
Las imperfecciones en la red cristalina se clasifican según su forma y geometría.
3) defectos de dos dimensiones
que incluyen superficies
externas y superficies de limite
de grano
Un material no se lo considera defectuoso desde un punto de vista tecnológico cuando tiene defectos. En muchas
aplicaciones, la presencia de tales defectos en realidad es útil.
Es importante conocer los tipos de imperfecciones que existen y los roles que desempeñan para afectar el
comportamiento de los materiales.

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Defectos puntuales
Los defectos puntuales son perturbaciones localizadas en los arreglos atómicos en un estructura cristalina que de otra
manera seria perfecta. Aun cuando se les llama defectos puntuales, la perturbación afecta una región que involucra varios
átomos.
Defecto de vacancia Defecto intersticial
Defecto sustitucional

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Defecto de vacancia
El defecto puntual mas sencillo es la vacante, un sitio atómico en el que ha desaparecido el átomo que lo ocupaba. En
los metales, la concentración de vacantes en el equilibrio, raramente excede de aproximadamente 1 átomo en 10 000.
En los metales pueden introducirse vacantes adicionales por:
o deformación plástica
o enfriamiento rápido desde elevadas a bajas temperaturas
o bombardeo con partículas de alta energía, como son los neutrones.
𝑁𝑣 = 𝑁 exp −
𝑄𝑣
𝑘𝑇
Nv : cantidad de vacancias por cm3
N : cantidad de átomos por cm3
Qv : energía de activación requerido para producir una
vacante
k : constante de Boltzmann (1,32 x 10-23 J/átomos-K o K;
8,62 10-5 eV/átomo-K)
T : temperatura absoluta

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Algunas veces un átomo de un cristal puede ocupar un hueco
intersticial entre los átomos de su entorno que ocupan posiciones
atómicas normales. Este tipo de defectos puntuales se llama
autointersticial o intersticialidad.
Defecto de intersticial
Los átomos de carbono se adiciona de manera intencional al
hierro con el fin de producir el acero. Existe una diferencia
de radios atómicos de 42%.

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Defecto lineal (dislocaciones)
Imperfección lineal en una red cristalina, frontera entre la región deslizada y la no deslizada, localizada
en el plano de deslizamiento. Es una línea, en el interior de un sólido, a lo largo de la cual hay una
discontinuidad de desplazamiento.
Se crean:
-Durante la solidificación de los solidos cristalinos.
-En la deformación plástica o permanente de los solidos cristalinos: por condensación de
vacantes y por desajuste atómico en las disoluciones de solidos

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Dislocación de cuña o arista
Una dislocación de arista se crea en un cristal por la intersección de un semiplano adicional de átomos. La
dislocación de arista es perpendicular al plano de la pagina. En la región afectada por la dislocación de línea
existe une red localmente distorsionada.
Una dislocación en arista suele designarse por el símbolo
“T invertida” (⊥), indicando una dislocación de arista
positiva mientras que la “T normal” (⊤), indica una
dislocación de arista negativa.

16
Dislocación de cuña o arista
La distancia del desplazamiento de los átomos alrededor de la dislocación se llama deslizamiento o
vector de Burgers b y es perpendicular a la línea de dislocación de arista.
La dislocación de arista presenta una región de tensión o compresión donde se encuentra el medio plano
adicional y una región de esfuerzo a la tensión debajo del medio plano adicional de átomos.
Campos de tensión alrededor
de una dislocación arista
Dislocación de arista que indica la
orientación de su vector de Burgers
Dislocación de arista positiva
en una red cristalina

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Dislocación helicoidal
La dislocación helicoidal puede formarse en un cristal perfecto
aplicando esfuerzos cortantes hacia arriba y hacia abajo en las
regiones del cristal perfecto que han sido separadas por un plano
cortante.
La región distorsionada del cristal no esta bien definida y tiene cuando menos varios átomos de diámetro. De esta manera
se crea una región de esfuerzo cortante alrededor de la dislocación helicoidal en la que se almacena energía. El
deslizamiento vector de Burgers de la dislocación helicoidal es paralelo a la línea de dislocación

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Dislocación mixta
La mayoría de las dislocaciones en los cristales son de tipo mixto, y tienen componentes de arista y helicoidales.
En la línea de dislocación curvada AB de la figura, la dislocación es de tipo helicoidal puro a la izquierda por donde entra
en el cristal y de tipo de arista pura a la derecha por donde deja al cristal. En el interior del cristal, la dislocación es de tipo
mixto, con componentes en arista y helicoidales.

19
Movimiento de la dislocación
Bajo la acción de un esfuerzo de corte aplicado en paralelo al vector de Burgers a un cristal que contienen una
dislocación, esta se mueve a través del cristal, generando una deformación permanente.
Cada paso en el movimiento de la dislocación requiere solo un reacomodo de los átomos extra en el plano vecino. Como
resultado, se requiere un esfuerzo muy pequeño para mover la dislocación y provocar una deformación en el cristal.

20
Mecánica del movimiento de las dislocaciones
Formas en que se mueven las cuatro orientaciones básicas de una dislocación bajo el mismo esfuerzo de corte aplicado.
El proceso mediante el cual se produce la deformación plástica por el movimiento de dislocación se llama
deslizamientos. El plano a los largo del cual se mueve la dislocación se denomina plan de deslizamiento.

21
En un plano de deslizamiento se
mueven cientos de dislocaciones para
que este puede ser visible.
Movimiento de la dislocación
El esfuerzo requerido para que la dislocación deslice es muy pequeño, siempre que no encuentre ningún obstáculo en su
camino, ya que no son los átomos quienes deslizan sino la dislocación (el hueco).
El movimiento de dislocaciones es análogo al modo de locomoción empleado por una oruga,

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Propriedades de las dislocaciones
Varias características de las dislocaciones son importantes con respecto a las propiedades mecánicas de los metales.
❖ campos de tensiones que existen alrededor de las dislocaciones, los cuales determinan su movilidad
❖ capacidad para multiplicarse
En el caso de una dislocación helicoidal, las deformaciones de la red son puramente de cizalladura.
Las distorsiones de la red pueden ser consideradas como campos de deformaciones que irradian a partir de la línea
de la dislocación. Las deformaciones se extienden en los átomos vecinos, y su magnitud disminuye con la distancia
radial a la línea de la dislocación.

23
Propriedades de las dislocaciones
Los campos de deformaciones que rodean a las dislocaciones interactúan unos con otros de tal manera que sobre cada
dislocación se ejerce una fuerza que corresponde al efecto combinado de las otras dislocaciones presentes.
Las interacciones entre dislocaciones son posibles entre dislocaciones de cuña, helicoidales y/ o
dislocaciones mixtas así como con diversas orientaciones. Estos campos de deformaciones y de
fuerzas asociadas son importantes en los mecanismos de refuerzo de los metales.

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Fuentes de dislocaciones
La deformación plástica en frío de un metal no solamente pone en movimiento sus dislocaciones sino que genera gran
número de nuevas dislocaciones.
El mecanismo de Frank-Read muestra que un frente de dislocación, cuando queda anclado, actúa como fuente de
dislocaciones si se mantiene una tensión microscópica sobre el cristal

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Dislocaciones
Micrografía de una aleación de titanio, obtenida
mediante un microscopio electrónico de transmisión.
Las líneas oscuras que se ven en la micrografía son
dislocaciones

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Defectos interfaciales
Son imperfecciones de la estructura cristalina ubicados en una área determinada del material. Los principales defectos de
superficies son la misma superficie del material y las fronteras de los granos.
Los defectos de superficie incluyen superficies externas, limites de grano, limites de macla, defectos de apilamiento y
limites de fase.
Superficies externas
Las dimensiones exteriores del material representan las superficies
en las que el cristal termina de manera abrupta. Cada átomo en la
superficie no posee el numero de coordinación apropiado y se
interrumpe el enlazamiento atómico. La superficie exterior también
puede ser muy áspera, contener muescas diminutas y ser mucho más
reactiva que el material.
Los enlaces no realizados de estos átomos superficies
aumentan la energía superficial, expresada en
unidades de energía por unidad de área (J/m2 o
erg/cm3)

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Límites de grano
Un grano es una porción del material dentro de la cual el arreglo de los átomos es casi idéntico. Sin embargo, la
orientación del arreglo de átomos, o estructura cristalina, es distinto para cada grano vecino. El limite de grano es el limite
que separa dos pequeños granos o cristales que tienen orientaciones cristalográficas en materiales policristalinos.
En la región limite, que en realidad tiene probablemente
varias distancias atómicas de ancho, hay un cierto
desalineamiento en la transición desde la orientación
cristalina de un grano a la del grano vecino. En la figura
(a) se muestra de manera esquemática tres granos.
Son posibles varios grados de
desalineamiento cristalográfico entre
granos vecinos
Ángulo de desalineación
Limite de grano de ángulo grande
Limite de grano de ángulo pequeño
Ángulo de desalineación

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Mecanismos de endurecimiento de los metales
Para entender los mecanismos de refuerzo es importante la relación entre el
movimiento de las dislocaciones y el comportamiento mecánico de los metales.
La restricción y el impedimento del movimiento de las dislocaciones convierte el
material en más duro y resistente. Así los procedimientos para incrementar la resistencia
de los materiales se pasan este principio: dificultar el movimiento de dislocaciones.
En los materiales metálicos, los defectos como las dislocaciones, defectos
puntuales y límites de grano sirven como obstáculo a las dislocaciones

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Endurecimiento por disolución sólida
Una de las formas de reforzar y endurecer los metales es alearlos con átomos de impurezas que forman soluciones sólidas
sustitucionales o intersticiales. Por este motivo se denomina endurecimiento por solución sólida. Los átomos de impurezas
en solución (soluto) generan un campo de tensiones de simetría esférica a su alrededor, que interaccionará con el campo de
tensiones de la dislocación. Como resultado de dicha interacción el movimiento de las dislocaciones es más difícil.
una impureza cuyo tamaño es menor que el átomo del cristal
al cual substituye ejerce deformaciones de tracción sobre la
red del entorno.
Los átomos de menor tamaño se quedan arriba de la
dislocación
un átomo sustitucional mayor impone deformaciones de
compresión en su vecindad
Los átomos de menor tamaño se quedan abajo de la dislocación

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Limite
de
elasticidad
(Mpa)
Limite
de
elasticidad
(ksi)
Contenido de Níquel (% en peso)
Resistencia
a
la
tracción
(Mpa)
Resistencia
a
la
tracción
(ksi)
Los metales muy puros son casi siempre más blandos y menos resistentes que las aleaciones formadas con el mismo
metal base. El aumento de la concentración de los átomos de impurezas produce un aumento de la resistencia a la
tracción y de la dureza y una disminución de la ductilidad, para el níquel disuelto en el cobre.
Endurecimiento por disolución sólida
Elongación
(%
en
2
pulgadas)

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El endurecimiento por deformación es un fenómeno por el cual un metal dúctil se hace más duro y resistente a medida
que es deformado plásticamente. Generalmente a este fenómeno también se le llama endurecimiento por trabajo en frío,
debido a que la deformación se da a una temperatura "fría" en relación a la temperatura de fusión del metal.
El porcentaje de trabajo en frío (%CW, Cold Working) se define así:
%𝐶𝑊 =
𝐴0 − 𝐴𝑑
𝐴0
× 100
A0 = Área original de la sección que
experimenta la deformación
Ad = Área después de la deformación.
Influencia del trabajo en frío sobre el comportamiento a tracción
de un acero de bajo contenido en carbono
Al incrementar el número de dislocaciones,
se aumenta la resistencia del material
porque el movimiento de una dislocación
es limitado debido a la presencia de otras
dislocaciones
Esfuerzo
de
tracción
(Mpa)
Deformación
Esfuerzo
de
tracción
Endurecimiento por deformación

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Endurecimiento por deformación
El refuerzo por deformación se utiliza a menudo en la práctica para aumentar las propiedades mecánicas de los metales
durante los procesos de conformación.
el límite elástico y la resistencia tracción del acero, el latón y el cobre aumentan al aumentar el trabajo en frío.
En ocasiones, especialmente para operaciones de conformado como la extrusión, el endurecimiento por deformación
puede ser un problema pues al acumularse la deformación se dificulta el proceso. Para eliminar el endurecimiento del
material es posible recocer la pieza para eliminar el exceso de dislocaciones.
Limite
de
elasticidad
(Mpa)
Limite
de
elasticidad
(ksi)
Resistencia
a
la
tracción
(Mpa)
Resistencia
a
la
tracción
(ksi)
Ductilidad
(%EL)
porcentaje de trabajo en frío porcentaje de trabajo en frío porcentaje de trabajo en frío
Acero AISI 1040
Acero AISI 1040
Acero1040
Latón
Cobre
Latón
Latón
Cobre
Cobre

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Endurecimiento por reducción del tamaño de grano
El refinamiento de grano es uno de los mecanismos de fortalecimiento más eficaz, mejorando propiedades mecánicas
sin pérdida en ductilidad.
Tal proceso de endurecimiento es consecuencia de
que los bordes de grano actúan como una barrera
infranqueable para el movimiento de las
dislocaciones.
El borde de grano actúa como punto de fijación, impidiendo la propagación de las dislocaciones. Por un lado, la
estructura reticular de los granos adyacentes difiere en la orientación, por lo que se requeriría más energía para cambiar
de dirección de deslizamiento. Además, el límite de grano es una región desordenada con campos de tensión muy
elevados.

34
Endurecimiento por reducción del tamaño de grano
Un material con grano fino es más duro y resistente que uno que tiene granos gruesos, puesto que el primero tiene una
área total de límite de grano mayor para impedir el movimiento de las dislocaciones
La relación entre el tamaño de grano y la tensión de fluencia, está dada por la ecuación de Hall-Petch
donde
σy es la tensión de fluencia,
σo es una constante del material relacionada con la tensión necesaria
para iniciar el movimiento de las dislocaciones,
ky es el coeficiente de endurecimiento del material
d es el diámetro promedio de los granos.
La tensión de límite elástico es inversamente proporcional a
la raíz cuadrada del tamaño de grano. Es decir, es posible
endurecer un material policristalino simplemente reduciendo
su tamaño de grano.
σ𝑦 = σ0 + 𝑘𝑦𝑑-1/2
Influencia del tamaño del grano sobre el límite elástico
de un latón 70 Cu-30 Zn.
Resistencia
a
la
tracción
(Mpa)
Resistencia
a
la
tracción
(ksi)
Tamaño de grano, d (mm)

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Propiedades mecánicas de los metales
Objetivos de aprendizaje
❖ Explicar las diferencias entre deformación elástica y deformación plástica a escala atómica, microscópica y
macroscópica.
❖ Explicar que es el ensayo de tracción, que tipo de maquina se emplea para realizar los ensayos de tracción y que
información respecto a las propiedades de un material pueden obtenerse de estos ensayos.
❖ Definir dureza y explicar como se mide.
❖ Describir el proceso de fractura de los metales y diferenciar entre fractura dúctil y fractura frágil.
❖ Describir la transición de los metales de dúctiles a frágiles. ¿Que tipo de metales son mas susceptibles a esta
transición TDF?
❖ Definir la carga de fatiga y la falla por fatiga en los materiales.

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Propiedades mecánicas de los metales
Muchos materiales cuando prestan servicio, están sometidos a fuerzas o cargas, ejemplo
de ellos son las aleaciones de aluminio con las cuales se construyen las alas de aviones y
el acero de los ejes de los automóviles. En tales situaciones es necesario conocer las
características del material y diseñar la pieza de tal manera que cualquier deformación
resultante no sea excesiva y no se produzca la rotura.
Las propiedades mecánicas son propiedades del material relacionadas con su
capacidad de transmitir y resistir fuerzas o deformaciones.
Las propiedades mecánicas de los materiales dependen de su composición y
microestructura. La naturaleza del enlace, la composición de un material, la
estructura cristalina y los defectos en la estructura tiene una influencia profunda en
la resistencia y ductilidad de los materiales metálicos.
Falla material titánica

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Las condiciones ambientales son otros factores que afectan las propriedades
mecánicas de los materiales, por ejemplo, como las temperaturas bajas pueden
ocasionar que muchos metales se vuelven quebradizos.
Las propiedades mecánicos desempeñan un papel importante en muchas aplicaciones, aun cuando la función primaria
sea eléctrica, magnética, óptica o biológica.
Aleación de titanio para implante ósea
Resistencia y dureza para sobrevivir en el cuerpo humano por
muchos años sin fallar
Aleación de aluminio en disco duro magnético
Resistencia mecánica para no romper o fisurar con una
rotación a altas velocidades
Importancia
❖ Elección del material adecuado para cada aplicación o proyecto
❖ Modelizar el comportamiento observado en la práctica

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Es importante comprender cómo se miden las diversas propiedades mecánicas y qué representan estas propiedades. Se les
puede pedir que diseñen estructuras/componentes utilizando materiales predeterminados de modo que no se produzcan
niveles inaceptables de deformación y/o falla.
Tensión se define como la fuerza que actúa por unidad de
área sobre la que se le aplica la fuerza.
Deformación unitaria se define como el cambio en
dimensión por unidad de longitud.
σ: Tensión convencional (Mpa)
Libras fuerzas por pulgada cuadrada (psi)
Unidades: S.I. Pascales (1Pa=1N/m2)
ε: deformación convencional
Pulgadas por pulgadas (pulg/pulg)
S.I: metros por metros (m/m)
σ =
𝐹(𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑢𝑛𝑖𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙)
𝐴0(á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙)
ε =
𝑙 − 𝑙0
𝑙0
=
∆𝑙(𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎)
𝑙0(𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎)

39
Ejemplo 1:
Una barra de 125 cm de diámetro esta sujeta a un peso de 2 500 kg. Calcule la tensión
convencional que actúa en la barra en megapascales (MPa).

40
Existen tres principales maneras de aplicar la carga, a saber, tensión (tracción), compresión y cortante o cizalladura.
F F F F
F
Cizalladura
De compresión
De tensión
Los esfuerzos de tensión y compresión son esfuerzos normales. Es decir la fuerza aplicada actúa de manera
perpendicular al área de interés. La tensión ocasiona una elongación. Mientras que la compresión ocasiona un
acortamiento. Se presenta un esfuerzo cizalladura cuando la fuerza aplicada actúa en una dirección paralela al área de
interés. En las aplicaciones de ingeniería, muchas cargas son torsionales mas que de cizalladura pura.
Ilustración esquemática de como las diferentes cargas producen deformaciones
Tracción
Alargamiento
Compresión
Contracción Deformación de cizalladura Deformación Torsional

41
Ensayo de tracción y diagrama tensión-deformación convencional
El ensayo de tracción se utiliza para evaluar la resistencia de metales y aleaciones. El ensayo de tracción puede ser utilizado para determinar
varias propriedades de los materiales metálicos que son importantes para el diseño.
Este ensayo consiste en someter una muestra de material, de dimensiones controladas, a una carga uniaxial de tracción hasta la rotura.
Permite cuantificar la resistencia del material a una fuerza estática o gradualmente aplicada: ensayo cuasiestático
El tipo de probeta utilizado en los ensayos de tracción varia en forma considerable.
En metales con sección transversal gruesa, como placas, normalmente se utilizan probetas
de 0.50 pulgadas de diámetro (figura a).
En metales de sección transversal mas delgada, como chapas, se utilizan probetas planas
(figura b).
La probeta mas utilizada en ensayos de tracción tiene una longitud entre marcas de 2
pulgadas.
Esquema del aparato utilizado para realizar
ensayo de tracción. La probeta es alargada
por el cabezal móvil. La celda de carga y el
extensómetro miden la carga y el
alargamiento respectivamente.
Requisitos del aparato:
✓ Alargamiento de la probeta a velocidad constante
✓ Medida continua y simultanea de la fuerza y alargamiento
Durante la tensión, la deformación se concentra en la región central más estrecha.

42
Los valores de fuerza y alargamiento obtenidos se pueden convertir en valores de tensión y deformación que son
independientes de las dimensiones del material y por lo tanto características resistentes intrínsecas del material.
Las propiedades mecánicas de metales y aleaciones que tienen interés para el
diseño estructural en ingeniería, y que pueden obtenerse a partir del ensayo de
tracción técnico, son:
1. Modulo de elasticidad
2. Limite elástico convencional de 0.2 por ciento
3. Resistencia a la tracción
4. Porcentaje de alargamiento a fractura
5. Porcentaje de estricción a fractura

43
Módulo de elasticidad
En la primera parte del ensayo de tracción, el metal se
deforma elásticamente. Es decir, si la fuerza que actúa
sobre la muestra desaparece, la probeta volverá a su
longitud inicial. Para metales, la máxima deformación
elástica suele ser inferior a 0,5 por ciento.
σ (tensión) = Eε (deformación) o 𝐸 =
σ (tensión)
ε (deformación)
donde E (MPa, o bien, psi) es el módulo de elasticidad, o
módulo de Young
Este modulo puede ser interpretado como la
rigidez, o sea, la resistencia de un material a
la deformación elástica. Cuando mayor es el
modulo, más rígido es el material, o sea,
menos es la deformación elástica que se
origina cuando se aplica una determinada
tensión. El modulo es un parámetro de
diseño importante utilizado en el calculo de
las deformaciones
Diagrama esquemático de tensión-
deformación con deformación
elástica lineal
Diagrama esquemático de tensión-
deformación mostrando
comportamiento elástica no lineal
En general, los metales y aleaciones muestran una relación lineal entre la tensión aplicada y la deformación producida en la
región elástica del diagrama convencional que se describe por la ley de Hooke:

44
La deformación longitudinal elástica de un metal produce un cambio simultaneo de las dimensiones
laterales. Como se muestra en la figura siguiente, una tensión a tracción o σz produce una deformación
axial + εz y una contracción lateral de εx y εy. Si la conducta es isotrópica, εx y εy son iguales. La relación
siguiente se denomina coeficiente de poisson:
Para materiales ideales, v = 0,5. No obstante, en
materiales reales el coeficiente de Poisson oscila entre
0.25 y 0.4, con un valor medio alrededor de 0.3.
Cuerpo sometido a tensión de tracción
𝑣 = −
𝜀 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙
𝜀 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙
= −
𝜀𝑥
𝜀𝑧
= −
𝜀𝑦
𝜀𝑧
El coeficiente de Poisson es parámetro básico en la teoría de elasticidad cuando se restringen los
alargamiento transversales.
El signo negativo se incluye en la expresión para que el
coeficiente sea siempre positivo, puesto que εx y εy
siempre son de signo opuesto.
Coeficiente de poisson

45
Deformación plástica
Las propriedades de resistencia y ductilidad están controladas por el ordenamiento atómico y la microestructura del
metal. La deformación plástica se inicia cuando se aplica una tensión de corte critica que produce el deslizamiento de
planos cristalográficos específicos para cada tipo de estructura cristalina.
Para la mayoría de los materiales metálicos, la deformación
elástica únicamente persiste hasta deformación de alrededor de
0,005. A medida que el material se deforma más allá de este
punto, la tensión deja de ser proporcional a la deformación (la
ley de Hooke deja de ser valida)
Ruptura y formación de nuevos enlaces
No recupera la forma inicial
ε deja de ser proporcional a σ

El límite elástico es un valor muy importante para el diseño estructural
en ingeniería, pues es el nivel de tensión al que un metal o aleación
muestran una deformación plástica significativa. Debido a que no hay un
punto definido de la curva tensión-deformación donde acaba la
deformación elástica y empieza la deformación plástica, se determina el
limite elástico como la tensión a la que se produce una deformación
elástica definida. En muchas ocasiones se determina el limite cuando se
produce una deformación de 0.2 por ciento, como se muestra en el
diagrama convencional de la figura.
Fluencia y Límite elástico
El limite elástico de 0.2 por ciento, también denominado límite elástico
convencional de 0.2 por ciento, se determina a partir del diagrama
convencional.
Para los metales que experimentan la transición elastoplástica de forma
gradual, el punto de fluencia puede determinarse como la desviación
inicial de la linealidad de las curva tensión-deformación, este punto se
denomina a menudo limite proporcional.
Fluencia

47
Algunos metales como el acero exhiben el tipo de diagrama tensión-deformación como se muestra en
esta figura. La transición elastoplástica está muy bien definida y ocurre de forma abrupta y se denomina
fenómeno de discontinuidad del punto de fluencia. En el límite de fluencia superior, la deformación
plástica se inicia con una disminución de la tensión. La deformación prosigue bajo una tensión que
fluctúa ligeramente alrededor de un valor constante, denominado punto de fluencia inferior.
σ𝑦 =
σ𝑚𝑎𝑥 + σ𝑚𝑖𝑛
2
En los metales en que ocurre este fenómeno, el límite
elástico se toma como el promedio de la tensión
asociada con el límite de fluencia inferior, ya que
está bien definido y es poco sensible al
procedimiento seguido en el ensayo.

48
Resistencia a la tracción
La resistencia a la tracción (UTS, por sus siglas en ingles) es la máxima tensión que se alcanza en la curva tensión-
deformación. Si la probeta desarrolla un decrecimiento localizado de la sección transversal (comúnmente denominada
estricción), la tensión convencional decrecerá con el incremento de la deformación hasta producirse la fractura.
TENSIÓN
NOMINAL
(σ
N
)
Un punto importante del diagrama tensión-deformación convencional que se debe entender es
que el metal o aleación puede soportar tensiones superiores a la propia tensión de fractura.
Esto solo se debe a que se utiliza el área original de la sección transversal para determinar la
tensión convencional y que la tensión soportada desciende en la ultima parte del ensayo.
Tensión de rotura:
Tensión que soporta el material en el punto
de rotura

49
Ductilidad
La ductilidad es una medida del grado de deformación plástica que puede ser soportada hasta la fractura. La ductilidad
puede expresarse cuantitativamente como alargamiento relativo porcentual, o bien mediante el porcentaje de reducción de
área.
Porcentaje de alargamiento
El porcentaje de alargamiento que una probeta a tracción soporta durante el ensayo proporciona un valor de la
ductilidad del metal. La ductilidad de metales suele expresarse como porcentaje de alargamiento.
% EL =
lf − l0
l0
× 100 donde lf es la longitud en el momento de la fractura y l0 es la longitud de prueba original.
Porcentaje de estricción
La ductilidad de un metal o aleación también se puede expresar en términos de porcentaje de reducción de área o
estricción. Después del ensayo, se determina el diámetro de la sección transversal de la zona de fractura. Utilizando las
medidas del diámetro inicial y del diámetro final, el porcentaje de estricción se determina según la ecuación
% AR =
A0 − Af
A0
× 100
donde A0 es el área de la sección inicial y Af es el área de la sección en el momento de
la fractura.

50
Ejemplo 2:
Una probeta de acero al carbono 1030 de 0.500 pulgadas de diámetro se ensaya hasta
la fractura en una maquina de ensayo. El diámetro de la probeta en la zona de fractura
es de 0.343 pulgadas. Calcule el porcentaje de estricción de la muestra.

51
El conocimiento de la ductilidad de un material es importante por lo menos por dos razones.
❑ Indica al diseñador el grado en que una estructura podrá deformarse antes de producir la rotura.
❑ Especifica el grado de deformación que puede permitirse durante las operaciones de conformación.
A menudo se dice que los materiales relativamente dúctiles son indulgentes, en el sentido de que cualquier
error en el calculo de la tensión de diseño lo ponen de manifestó deformándose antes de producir la fractura.
Un material que experimenta poca o ninguna deformación plástica se denomina frágil.

52
Resiliencia
La residencia es la capacidad de un material de absorber energía elástica cuando es deformado hasta el limite elástico y
ceder esta energía cuando se deja de aplicar.
La propiedad asociada se denomina modulo de resiliencia, Ur, que es la energía de deformación por unidad de volumen que
se requiere para deformar un material hasta el limite elástico.
Matemáticamente, el modulo de resiliencia de una probeta sometido a una carga uniaxial es justamente el área debajo de la
curva tensión-deformación hasta la fluencia que tiene la siguiente expresión:
𝑈𝑟 = න
0
𝜀𝑦
𝜎𝑑𝜀
Integrando, si la región elástica es lineal
𝑈𝑟 =
1
2
𝜎𝑦𝜀𝑦
𝜀𝑦 =
𝜎𝑦
𝐸
(Ley de Hooke) 𝑈𝑟 =
1
2
𝜎𝑦
2
𝐸

53
La tenacidad de un material es un término mecánico que se utiliza en varios contextos; en sentido amplio, es una
medida de la capacidad de un material de absorber energía antes de la fractura. La geometría de la probeta así como la
manera con que se aplica la carga son importantes en la determinación de la tenacidad.
Tenacidad
La tenacidad puede evaluarse a partir de los resultados del ensayo de tracción. Es el área bajo la curva tensión-
deformación hasta la rotura. Las unidad de tenacidad son las mismas que las de resiliencia.
Para que un material sea tenaz, debe poseer tanto alto resistencia como ductilidad.
Los materiales frágiles tienen mayor limite elástico y
mayor resistencia a la tracción, tienen menor tenacidad
que los dúctiles a causa de la falta de ductilidad, esto se
puede deducir comparando las áreas ABC y AB’C’ en la
figura.

54
Dureza
La dureza se define como la oposición que ofrecen los materiales a alterarse como la penetración, la abrasión, el rayado,
la cortadura, las deformaciones permanentes.
Resistencia a la deformación plástica
El técnico de ensayo de la dureza se basa en
un pequeña penetrador que es forzado sobre
una superficie del material en condición
contralada de carga y velocidad. En estos
ensayos se mide la profundidad o tamaño de
la huella resultante.
Existen una variedad pruebas de dureza, pero
las más comúnmente utilizados son la prueba
de Rockwell y la prueba de Brinell.
Durómetro para dureza Rockwell.

56
Prueba de impacto
La resistencia al impacto es una de las más importantes propiedades para cualquier diseñador industrial. Esta propiedad
es de importancia en la ingeniería cuando se considera la capacidad que tiene un material para soportar un impacto sin
que se produzca la fractura.
Para determinar este parámetro se utiliza en general la prueba de
impacto de Charpy.
Una de las formas de utilizar este aparato consiste en
colocar una probeta Charpy con muesca en V a lo largo
junto a los brazos paralelos de la maquina (tal como se
muestra en la parte superior de la figura).
A continuación, se suelta el péndulo pesado desde una
altura determinada, el cual golpea a la probeta en su
trayectoria descendente fracturándola. Conocida la masa del
péndulo y la diferencia entre las alturas inicial y final se
determina la energía presente en el proceso de fractura.

57
Uno de los aspectos mas importantes y prácticos de la selección de metales en el diseño, desarrollo y producción de
nuevos componentes es la posibilidad de que el componente falle durante su funcionamiento habitual
La falla se puede definir como la
incapacidad de un material o componente
realizar la funcion prevista, Cumplir los criterios de desempeño
aunque pueda seguir funcionando
tener un desempeño seguro y confiable
incluso después de deteriorarse
La información obtenida se emplea para fomentar el desempeño seguro y minimizar la posibilidad de fallas
mediante mejoras en los procesos de diseño y fabricación, y en la síntesis y selección de los materiales
debe estar completamente familiarizado con el
concepto de fractura o falla de los materiales
ser capaz de obtener información de un componente
que fallo para poder determinar las causas de la falla.
Todo ingeniero

58
Fractura dúctil
La fractura dúctil de un metal tiene lugar después de una intensa deformación plástica. Por ejemplo, Si se aplica un
esfuerzo a la probeta tal que exceda su resistencia máxima a la tensión, y se mantiene suficiente tiempo, la probeta se
fracturara. Pueden reconocerse tres etapas distintas en la fractura dúctil:
la muestra presenta una estricción
y se forman cavidades en la zona
de estricción
las cavidades formadas se juntan
generando una fisura en el centro de la
probeta que se propaga hacia la
superficie de la misma y en dirección
perpendicular al esfuerzo aplicado
cuando la fisura se aproxima a la superficie, la
dirección de la misma cambia a 45º respecto al
eje de la tensión y se genera una fractura del tipo
cono y copa
1 2
3

59
Fractura dúctil (copa y cono)
de una aleación de aluminio.
Micrografia obtenida por
microscopia electronica de
barrido mostrando cavidades
conicas equiaxiales
Agrietamiento interno de la región
de estricción de una probeta de cobre
policristalino de alta pureza
En la practica, las fracturas dúctiles son menos frecuentes que las frágiles, y su principal causa es el
exceso de carga aplicado al componente.

60
Fractura frágil
Muchos metales y aleaciones se fracturan de forma frágil con muy poca deformación plástica.
Fractura frágil de una aleación metálica
que muestra surcos radiales que emanan
del centro del espécimen.
La comparación de esta figura con la de fractura dúctil revela diferencias
drásticas en el nivel de deformación previa a la fractura entre las
fracturas dúctil y frágil. La fractura fragil suele avanzar a lo largo de los
planos cristalográficos determinados llamados planos de exfoliación bajo
un esfuerzo normal al plano de exfoliación como se muestra en la figura.
Fractura fragil por exfoliación en una
fundición de hierro ferrítico dúctil.

61
la fractura fragil tiene lugar
en los metales en tres etapas:
La deformación plástica concentra las dislocaciones a
lo largo de los planos de deslizamiento en los
obstáculos.
El esfuerzo cortante se acumula en los lugares donde
las dislocaciones están bloqueadas y como resultado
se nuclean microfisuras.
Un esfuerzo posterior propaga las microfisuras y la
energía de deformación elástica almacenada puede
contribuir a la propagación de las mismas.
La transición del comportamiento dúctil a fragil se denomina transición de dúctil a frágil (TDF). Así, materiales que
son usualmente dúctiles pueden, en determinadas circunstancias, fracturarse de manera frágil.
1
2
3

62
Temperatura de transición de dúctil a frágil
Determinadas condiciones se observa un cambio marcado en la resistencia a la fractura de algunos metales que están en
uso, esto es, la transición de dúctil a frágil.
En la figura siguiente, aunque algunos metales muestran una temperatura TDF
diferente, para muchos, esta transición ocurre a lo largo de un intervalo de temperaturas
los metales FCC que no pasan por la TDF son adecuados para emplearse a baja temperatura. Los factores que
influyen en la temperatura de TDF son la composición de la aleación, el tratamiento térmico y el procesado.
La transición de dúctil a fragil es
un importante elemento a tomar
en cuenta en la selección de
materiales para componentes que
funcionan en ambientes fríos. Por
ejemplo, los barcos que navegan
en aguas frías y las plataformas
mar adentro que se localizan en
los mares árticos, las cuales son
en especial susceptibles a la TDF.
Para tales aplicaciones, los
materiales seleccionados deberían
tener una temperatura de TDF que
sea considerablemente menor que
la temperatura de operación o de
servicio.
Efecto del contenido de carbono las
energía de impacto-temperatura para
varios aceros recocidos
Efecto de la temperatura en la energía absorbida
durante el impacto para diferentes tipos de
materiales.
En la figura siguiente, aunque algunos metales muestran una temperatura TDF
diferente, para muchos, esta transición ocurre a lo largo de un intervalo de temperaturas

63
Fatiga de los metales
Las piezas metálicas sometidas a esfuerzos cíclicos o repetitivos se rompen por la fatiga que sufren debido a un esfuerzo
mucho menor de lo que la pieza puede soportar durante la aplicación de un esfuerzo estático sencillo. Estas fallas se
denominan fallas por fatiga.
80% de los materiales en las máquinas se rompen a causa de la falla por fatiga.
La rotura por fatiga tiene aspecto frágil aun en metales que son normalmente dúctiles, en el sentido de que no hay
deformación plástica importante asociada a la rotura.
La mayor parte de los materiales metálicos muestran una propagación apreciable de grietas previo a la rotura en
condiciones de carga cíclica.
La falla por fatiga se origina en un punto de concentración de esfuerzos como lo es
un extremo afilado o una muesca, o en una inclusión metalúrgica o fisura.
Una vez nucleada, la fisura se propaga a través de la pieza sometida a esfuerzos
cíclicos o repetidos. En esta etapa del proceso de fatiga se forman las denominadas
marcas de “playa”.
Finalmente, la sección remanente se hace tan pequeña que no puede soportar la
carga aplicada y tiene lugar la fractura del componente.
Se pueden reconocer dos tipos distintos de superficie:
1) una región lisa debida a la fricción entre las superficies abiertas durante la propagación de la fisura a través de la sección,
2) una superficie rugosa generada durante la fractura cuando la carga es demasiado elevada para la sección transversal
remanente.
Etapas de un fallo por fatiga
- Iniciación - Propagación - Rotura

64
Prueba de fatiga por flexion alternante rotativa de Moore
Este prueba de fatiga es uno de los más utilizada a menor escala para determinar los ciclos de
resistencia de los materiales
Probeta para la prueba de fatiga por flexión alternante rotativa de R. R. Moore
La superficie de la probeta tiene que estar
bien pulida y adelgazada en la parte
central para evitar ralladuras
circunferenciales
Durante la prueba con este aparato, el
centro de la probeta esta sometido a
tensión en su superficie inferior, mientras
que en su superficie superior lo esta a la
compresión provocada por el peso
aplicado en el centro del aparato

65
Tensiones cíclicas
Los esfuerzos de fatiga aplicados en los casos reales y en las pruebas de fatiga pueden variar mucho. Los más
utilizados en la industria y en la investigación suponen esfuerzos axiales, de flexión o de torsión
En esta figura se representa un dependencia regular y sinusoidal del
tiempo, en la cual la amplitud es simétrica alrededor de un nivel medio
de tensión igual a cero, por ejemplo, alternando desde un valor máximo
de la tracción (σmax) hasta un valor mínimo del esfuerzo de compresión
(σmin) de igual magnitud; esto se denomina ciclo de carga invertida.
En este ciclo de carga invertida, los máximos y mínimos son
asimétricos con respecto al nivel cero de carga. el esfuerzo máximo
σmax y el mínimo σmin son esfuerzos de tensión, sin embargo un ciclo
de tensión repetido también puede tener esfuerzos máximos y
mínimos de signo contrario, o ser ambos esfuerzos de compresión.
un esfuerzo cíclico que varia aleatoriamente en amplitud y
frecuencia

66
Los ciclos de tensión variable se caracterizan por un cierto numero de parámetros, siendo los mas importantes los
siguientes:
Esfuerzo medio σm es la media algebraica de los esfuerzos máximo y mínimo de un ciclo de fatiga.
Rango del esfuerzo σr es la diferencia entre la tensión máxima y la tensión mínima del ciclo σmax y σmin
Amplitud del esfuerzo σa es la mitad del ciclo del esfuerzo
Relación de esfuerzos R es la relación entre los esfuerzos máximo y mínimo según:
𝜎𝑚 =
𝜎𝑚𝑎𝑥 + 𝜎𝑚𝑖𝑛
2
𝜎𝑟 = 𝜎𝑚𝑎𝑥 − 𝜎𝑚𝑖𝑛
𝜎𝑎 =
𝜎𝑟
2
=
𝜎𝑚𝑎𝑥 − 𝜎𝑚𝑖𝑛
2
R=
𝜎𝑚𝑖𝑛
𝜎𝑚𝑎𝑥

67
Curva SN
Los datos obtenidos de los ensayos de fatiga se representan gráficamente en forma de curvas SN, en las
cuales se representa a la tensión S que causa la falla en comparación con el numero de ciclos N a los que
se produce la falla. Los valores de S se toman normalmente como amplitudes de la tensión (σa): en
algunas ocasiones se utilizan los valores de σmáx o de σmin
curvas típicas SN para una aleación al alto carbono y una
aleación de aluminio de alta resistencia.
Para la aleación de aluminio, el esfuerzo que causa la fractura
disminuye a medida que aumenta el numero de ciclos.
En el acero al carbono primeramente hay una disminución en
la resistencia a la fatiga a medida que aumenta el numero de
ciclos y luego la curva SN se nivela, sin que disminuya la
resistencia a la fatiga a medida que aumenta el numero de
ciclos. A esta parte horizontal del grafico SN se denomina
límite de fatiga o resistencia a la fatiga y se encuentra entre
106 y 1010 ciclos.
Este limite de la fatiga representa el mayor valor de la tensión
fluctuante que no produciría la rotura en un numero infinito
de ciclos.
Muchas aleaciones ferrosas presentan un limite de fatiga de aproximadamente la mitad de su resistencia a la tensión.
Las aleaciones no ferrosas como las aleaciones de aluminio no presentan limite de fatiga y su resistencia es del
orden de una tercera parte de su resistencia a la tensión.

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