Este documento trata sobre los materiales aplicados al ferrocarril. Explica la clasificación de los materiales en metálicos, cerámicos y polímeros, e introduce los conceptos de diagrama de fases, puntos de fusión y ebullición. También describe el papel del carbono en el acero y cómo afecta a sus propiedades mecánicas, y diferencia entre aceros de bajo, medio y alto carbono. Finalmente, resume los tipos de enlaces como metálicos, van der Waals e iónicos.

1. Materiales UNSAM
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN
MATERIALES
“ESTUDIOS DE MATERIALES APLICADOS AL FERROCARRIL”
Lic. Guillermo Robino
Lic. Guillermo Robino 2010 1

2. Materiales UNSAM
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN
MATERIALES
UNIDAD I
Lic. Guillermo Robino
2010
1- Historia de los materiales y su clasificación
Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto. Desde el
comienzo de la civilización, los materiales junto con la energía han sido utilizados por
el hombre para mejorar su nivel de vida. Como los productos están fabricados a base de
materiales, estos se encuentran en cualquier parte alrededor nuestro. Los mas
comúnmente encontrados son madera , hormigón , ladrillo , acero , plástico , vidrio ,
caucho , aluminio , cobre y papel . Existen muchos mas tipos de materiales y uno solo
tiene que mirar a su alrededor para darse cuenta de ello. Debido al progreso de los
programas de investigación y desarrollo , se están creando continuamente nuevos
materiales.
La producción de nuevos materiales y el procesado de estos hasta convertirlos en
productos acabados, constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Los
ingenieros diseñan la mayoría de los productos facturados y los procesos necesarios
para su fabricación. Puesto que la producción necesita materiales, los ingenieros deben
conocer de la estructura interna y propiedad de los materiales, de modo que sean
capaces de seleccionar el mas adecuado para cada aplicación y también capaces de
desarrollar los mejores métodos de procesado.
Los ingenieros especializados en investigación trabajan para crear nuevos materiales o
para modificar las propiedades de los ya existentes. Los ingenieros de diseño usan los
materiales ya existentes, los modificados o los nuevos para diseñar o crear nuevos
productos y sistemas. Algunas veces el problema surge de modo inverso: los ingenieros
de diseño tienen dificultades en un diseño y requieren que sea creado un nuevo material
por parte de los científicos investigadores e ingenieros.
La búsqueda de nuevos materiales progresa continuamente. Por ejemplo los ingenieros
mecánicos buscan materiales para altas temperaturas, de modo que los motores de
reacción puedan funcionar más eficientemente. Los ingenieros eléctricos procuran
encontrar nuevos materiales para conseguir que los dispositivos electrónicos puedan
operar a mayores velocidades y temperaturas.
Lic. Guillermo Robino 2

3. Materiales UNSAM
Tipos de materiales
Por conveniencia la mayoría de los materiales de la ingeniería están divididos en tres
grupos principales materiales metálicos, poliméricos, y cerámicos
Materiales metálicos.
Estos materiales son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o mas
elementos metálicos, pudiendo contener también algunos elementos no metálicos,
ejemplo de elementos metálicos son hierro cobre, aluminio, níquel y titanio mientras
que como elementos no metálicos podríamos mencionar al carbono.
Los materiales de cerámica, como los ladrillos , el vidrio la loza , los aislantes y los
abrasivos , tienen escasas conductividad tanto eléctrica como térmica y aunque pueden
tener buena resistencia y dureza son deficientes en ductilidad , confortabilidad y
resistencia al impacto.
Polímeros, en estos se incluyen el caucho (el hule), los plásticos y muchos tipos de
adhesivos. Se producen creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas
orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas.
Fases componentes de un sólido desde su estructura intermolecular
Una sustancia pura como el agua puede existir en las fases sólido, liquido y gas,
dependiendo de las condiciones de temperatura y presión. Un ejemplo familiar para
todos de dos fases de una sustancia pura en equilibrio es un vaso de agua con cubos de
hielo. En este caso el agua, sólida y liquida, da lugar a dos fases distintas separadas por
una fase limite, la superficie de los cubos de hielo. Durante la ebullición del agua, el
agua líquida y el agua vapor son dos fases en equilibrio.
2- Diagramas de Fase
En el diagrama de fases presión-temperatura (PT} del agua existe un punto triple a baja
presión (4579 torr) y baja temperatura (0,0098 °C) donde las fases sólida, liquida y
gaseosa coexisten. Las fases liquida y gaseosa existen a lo largo de la línea de
vaporización y las fases líquida y sólida a lo largo de la línea de congelación. Estas
líneas son líneas de equilibrio entre dos fases.
Lic. Guillermo Robino 3

4. Materiales UNSAM
Definiciones:
• Punto de ebullición: se define punto de ebullición de un líquido a la presión P,
como la temperatura a la cual la presión de vapor de equilibrio del líquido es
igual a dicha presión, en el gráfico anterior para la presión P el punto de
ebullición es T2. La curva BC representa la presión de vapor del líquido en
función de la temperatura, y/o la temperatura de ebullición en función de la
presión
• Punto de fusión: se define punto de fusión de un sólido a la presión P, como la
temperatura a la cual el sólido y el líquido se encuentran en equilibrio a dicha
presión, en el gráfico anterior para la presión P el punto de fusión de la sustancia
será T1.
• Si la presión es de 1 atmósfera (o más correctamente, de 1 bar) a estos puntos se
les denomina punto de ebullición y punto de fusión normales
respectivamente.
El diagrama de fases en equilibrio (PT) se puede construir también para otras sustancias
puras. Por ejemplo, el diagrama de fases de equilibrio PT del hierro puro.
Una diferencia fundamental de este diagrama de fases es que tiene tres fases sólidas
distintas y separadas: Fe alfa (~, Fe gamma (y) y Fe delta (~).
El hierro ~ y <5 tiene estructuras cristalinas BBC, mientras el hierro y tiene una
estructura FCC. Las fases límite en el estado sólido tienen las mismas propiedades que
entre líquido y sólido. Por ejemplo, bajo condiciones de equilibrio, el hierro ~ y y puede
existir a una temperatura de 910 °C y una atmósfera de presión. Por encima de 910 °C
sólo existe la fase y, y por debajo de 910 °C sólo existe la fase ~ Hay también tres
puntos triple en el diagrama PT del hierro donde las tres fases diferentes coexisten: (1)
líquido, vapor Fe <5; (2) vapor, Fe <5 y Fe y; y (3) vapor, Fe y Fe ~.enlaces existente
para su configuración.
3- El papel del carbono en el acero
El acero es, básicamente, una aleación de hierro y de carbono. El contenido del
carbono en el acero es relativamente bajo. La mayoría de los aceros tienen menos
de 9 átomos de carbono por cada 100 de hierro en el acero. Como el carbono es
más ligero que el hierro, el porcentaje de masa de carbono en el acero es casi
siempre menos del 2%. La forma convencional de expresar el contenido de los
elementos en las aleaciones es por el porcentaje de la masa total con que cada uno
contribuye.
El carbono tiene una gran influencia en el comportamiento mecánico de los aceros.
La resistencia de un acero simple con 0.5% de carbono es más de dos veces
superior a la de otro con 0.1%. Además, como puede apreciarse en la figura 3, si el
contenido de carbono llega al 1%, la resistencia casi se triplica con respecto al nivel
de referencia del 0.1%.
Lic. Guillermo Robino 4

5. Materiales UNSAM
Figura 3. Efecto del contenido del carbono en la resistencia de los aceros.
El carbono, sin embargo, generalmente reduce la ductilidad del acero. La ductilidad
es una medida de la capacidad de un material para deformarse, en forma
permanente, sin llegar a la ruptura. Por ejemplo, el vidrio de las ventanas no es
nada dúctil. Cualquier intento por deformarlo, estirándolo o doblándolo, conduce
inmediatamente a la fractura. El aluminio, por el contrario, es sumamente dúctil.
Un acero de 0.1%. de carbono es más de cuatro veces más dúctil que otro con 1%
de carbono y dos veces más que un tercero con 0.5% de carbono, como se indica en
la figura 5. En esta gráfica, a la ductilidad se le expresa como un porcentaje. Éste se
determina estirando una barra de acero hasta llevarla a la fractura para después
calcular el incremento porcentual de su longitud.
Aceros de bajo, medio y alto carbono
Por su contenido de carbono, los aceros se clasifican como de bajo, medio y alto
carbono. Las fronteras que separan a estos tipos de acero no están claramente
definidas, aunque se entiende que los aceros de bajo carbono tienen menos del
0.25% de carbono en su aleación. Ellos son fácilmente deformables, cortables,
maquinables, soldables; en una palabra, son muy "trabajables". Por eso, con estos
aceros los herreros hacen puertas y ventanas. Además, con ellos se fabrican las
mejores varillas para refuerzo de concreto, las estructuras de edificios y puentes, la
carrocería de los automóviles y las corazas de los barcos.
Lic. Guillermo Robino 5

6. Materiales UNSAM
Figura 5. Efecto del contenido del carbono en la ductilidad de los aceros
comunes. En 1938 Sisco publicó esta gráfica y se ha reproducido en muchos
libros de texto todavía vigentes.
Los aceros de medio carbono, entre 0.25% y 0.6%, se emplean cuando se quiere
mayor resistencia, pues siguen manteniendo un buen comportamiento dúctil aunque
su soldadura ya requiere cuidados especiales. Con estos aceros se hacen piezas para
maquinarias como ejes y engranes. Los aceros de alto carbono, entre 0.6% y 1.2%,
son de muy alta resistencia, pero su fragilidad ya es notoria y son difíciles de
soldar. Muchas herramientas son de acero de alto carbono: picos, palas, hachas,
martillos, cinceles, sierras, etc. Los rieles de ferrocarril también se fabrican con
aceros de ese tipo.
Rieles 60lbs.
Aceros de ultra alto carbono
Como contienen alrededor de 1.5% de carbono, muchos creen que son tan frágiles
que no vale la pena ni siquiera estudiarlos. Lo bueno fue que los herreros de
Saladino no aprendieron la fabricación de sus espadas leyendo los textos de
Lic. Guillermo Robino 6

7. Materiales UNSAM
metalurgia que ahora tenemos en las bibliotecas. La enseñanza la obtuvieron de sus
padres y abuelos a lo largo de muchos años de compartir el trabajo en la herrería.
Recientemente dos metalurgistas de la Universidad de Stanford, Sheiby y
Wadsworth, retomaron el tema de las espadas de Damasco y han abierto todo un
campo de investigación en lo que se llama ahora aceros de "ultra alto carbono".
Con toda paciencia empezaron por desentrañar de nuevo las misteriosas
características de estos aceros, para luego reproducir en el laboratorio su legendaria
belleza y su singular resistencia y tenacidad. En pocos años estuvieron en
condiciones de ofrecer a la industria aleaciones de acero de ultra alto carbono con
las que se pueden fabricar infinidad de piezas donde la resistencia al esfuerzo, al
impacto o a la fatiga son de vital importancia.
4- Enlaces existentes para su configuración.
Enlaces metálicos
En metales en estado sólido, los átomos se encuentran empaquetados relativamente muy
juntos en una ordenación sistemática o estructura cristalina. Por ejemplo la disposición
de los átomos de cobre en el cobre cristalino consiste que los átomos están tan juntos
que sus electrones externos de valencia son atraídos por los núcleos de sus numerosos
vecinos. En el caso del cobre sólido cada átomo está rodeado por otros 12 átomos más
próximos. Los electrones de valencia no están por lo tanto asociados férreamente a un
núcleo en particular y así es posible que se extiendan entre los átomos en forma de una
nube electrónica de carga de baja densidad o gas electrónico. Los átomos en un enlace
metálico sólido se mantienen juntos por enlace metálico para lograr un estado de más
baja energía (o más estable). Para el enlace metálico no hay restricciones sobre pares
electrónicos como en el enlace covalente o sobre la neutralidad de carga como en el
enlace iónico. En el enlace metálico los electrones de valencia más externos de los
átomos son compartidos por muchos átomos circundantes y de este modo, en general, el
enlace metálico no resulta direccional Fuerzas de van der Waals
Excepto en un gas muy dispersado las moléculas ejercen atracciones y repulsiones entre
sí. Estas proceden fundamentalmente de interacciones dipolo-dipolo. Las moléculas no
polares se atraen entre sí mediante interacciones débiles dipolo-dipolo llamadas fuerzas
de London que surgen como consecuencia de dipolos inducidos en una molécula por
otra. En este caso los electrones de una molécula son débilmente atraídos hacia el
núcleo de otra pero entonces los electrones de esta son repelidos por los electrones de la
primera. El resultado es una distribución desigual de la densidad electrónica y, en
consecuencia, un dipolo incluido. Las diferentes interacciones dipolo-dipolo (atractivas
y repulsivas) se denominan conjuntamente fuerzas de van der Waals . La distancia entre
las moléculas juega un importante papel en la intensidad de dichas fuerzas. Se llama
radio de van der Waals a la distancia a la que la fuerza atractiva es máxima. Cuando dos
átomos se aproxima a distancias mas cortas que el radio de van der Waals , se
desarrollan fuerzas repulsivas entre los núcleos y las capas electrónicas . Cuando la
distancia entre dos moléculas es mayor al radio de van der Waals las fuerzas atractivas
entre las moléculas disminuyen.
Enlace iónico
Los enlaces iónicos se pueden formar entre elementos muy electropositivos (metálicos)
y elementos muy electronegativos (no metales). En el proceso de ionización los
electrones son transferidos desde los átomos de los elementos electropositivos a los
átomos de los elementos electronegativos, produciendo cationes cargados positivamente
y aniones cargados negativamente. Las fuerzas de enlace son debidas a la fuerza de
Lic. Guillermo Robino 7

8. Materiales UNSAM
atracción electrostática entre iones con carga opuesta. Los enlaces iónicos se forman
entre iones opuestamente cargados por que se produce una disminución neta de la
energía potencial para los iones enlazados.
Enlace covalente
Un segundo tipo de enlace atómico primario es el enlace covalente. Mientras el enlace
iónico involucra átomos muy electropositivos y electronegativos, el enlace covalente se
forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy
próximos en la tabla periódica. En el enlace covalente los átomos generalmente
comparten sus electrones externos s y p como otros átomos, de modo que cada átomo
alcanza la configuración de gas noble. En un enlace covalente sencillo cada uno de los
átomos contribuye con un electrón a la formación del par de electrones de enlace, y las
energías de los dos átomos asociadas con el enlace covalente son menores (mas
estables) como consecuencia de la interacción de los electrones. En el enlace covalente,
se pueden formar enlaces múltiples de pares de electrones por un átomo consigo mismo
o con otros átomos.
Redes cristalográficas existentes
Sistemas cristalográficos
Los cristalógrafos han demostrado que son necesarias solo siete tipos diferentes de celda
unidad para crear todas las redes puntuales. La mayor parte de estos siete sistemas
cristalinos presentan variaciones de la celda unida básica. A. J. Bravais mostró que
catorce celdas unidad estándar podían describir todas las estructuras reticulares posibles
.Hay cuatro tipos de celdas unidad:
• Sencilla
• Centrada en el cuerpo
• Centrada en las caras
• Centrada en la base
En el sistema cúbico hay tres tipos de celdas unidad: cúbica sencilla, cúbica centrada en
el cuerpo y cúbica centrada en las caras. En el sistema ortorrómbico están representados
los cuatro tipos. En el sistema tetragonal hay solo dos: sencilla y centrada en el cuerpo.
En el sistema monoclínico tiene celdas unidad sencilla y centrada en la base, y los
sistemas romboédrico hexagonal y triclínico, tienen solo una celda unidad.
Estructuras cristalográficas
La mayoría de los metales elementales alrededor del 90 % cristalizan en tres estructuras
cristalinas densamente empaquetadas: cúbica centrada en el cuerpo (BCC), cúbica
centrada en las caras (FCC) y hexagonal compacta (HCP). La estructura HCP es una
modificación más densa de la estructura cristalina hexagonal sencilla. La mayor parte de
los metales cristalizadas en esas estructuras densamente empaquetadas debido a que se
libera energía a medida que los átomos se aproximan y se enlazan cada vez más
estrechamente entre sí. De este modo, dichas estructuras densamente empaquetadas se
encuentran es disposiciones u ordenamientos de energía cada vez más baja y estable
Examinemos ahora detalladamente la disposición de los átomos en las celdas unidad de
las tres principales estructuras cristalinas. Aunque solo sea una aproximación
consideremos a los átomos de estas estructuras como esferas rígidas.
Planos cristalinos
Dirección en la celda
A menudo, es necesario referirnos a posiciones específicas en las redes cristalinas. Esto
es especialmente importante para metales y aleaciones con propiedades que varían con
Lic. Guillermo Robino 8

9. Materiales UNSAM
la orientación cristalográfica. Para cristales cúbicos los índices de las direcciones
cristalográficas son los componentes vectoriales de las direcciones resueltos a lo largo
de cada eje coordenado y reducido a los enteros más pequeños.
Para indicar en un diagrama la dirección en una celda cúbica unitaria dibujamos un
vector de dirección desde el origen (que es normalmente una esquina de la celda cúbica)
hasta que sale la superficie del cubo. Las coordenadas de posición de la celda unidad
donde el vector de posición sale de la superficie del cubo después de ser convertidas a
enteros son los índices de dirección. Los índices de dirección se encierran entre
corchetes sin separación por comas.
Planos en una celda unitaria
Las superficies cristalinas en celdillas unidad HCP pueden ser identificadas
comúnmente utilizando cuatro índices en lugar de tres. Los índices para los planos
cristalinos HCP, llamados índices Miller-Bravais, son designados por las letras h , k , i ,
l y encerrados entre paréntesis (hkil). Estos índices hexagonales de 4 índices están
basados en un sistema coordenado de 4 ejes.
Notación para planos
Los planos basales de la celdilla unidad HCP son muy importantes para esta celdilla
unidad puesto que el plano basal de la celdilla HCP es paralelo a los ejes, a1, a2 , a3 las
intersecciones de este plano con estos ejes serán todas de valor infinito . Así, a1 = ¥ , a2
= ¥ a3 = ¥ El eje c , sin embargo , es único puesto que el plano basal superior
intersecciona con el eje c a una distancia unidad . Tomando los recíprocos de estas
intersecciones tenemos los índices de Miller-Bravais para el plano Basal HCP.
Importancia del índice de Milller
A veces es necesario referirnos a planos reticulares específicos de átomos dentro de una
estructura cristalina o puede ser interesante conocer la orientación cristalográfica de un
plano o grupo de planos en una red cristalina. Para identificar planos cristalinos es
estructuras cristalinas cúbicas se usa la notación de Miller. Los índices de Miller de un
plano cristalino están definidos como los recíprocos de las intersecciones , que el plano
determina con los ejes x , y , z de los tres lados no paralelos del cubo unitario .Las
aristas de una celda cúbica unitaria presentan longitudes unitarias y las intersecciones de
los planos de una red se miden en base a estas longitudes unitarias .El procedimiento de
determinación de los índices de Miller para un plano de un cristal cúbico es el siguiente:
• Escoger un plano que no pase por el origen en (0,0,0)
• Determinar las interacciones del plano en base a los ejes x, y ,z cristalográficos
para un cubo unitario , estas interacciones pueden ser fraccionarias
• Construir los recíprocos de estas intersecciones
Despejar fracciones y determinar el conjunto más pequeño de números esteros que estén
en la misma razón que las intersecciones. Esos números enteros son los índices de
Miller de un plano cristalográfico y se encierran entre paréntesis sin usar comas. La
notación (hkl) se usa para indicar índices de Miller en sentido general, donde h ,k, y l
son los índices de Miller para un plano de un cristal cúbico de ejes x, y, z
respectivamente.
Estructuras cristalinas
La primera clasificación que se puede hacer de materiales en estado sólido, es en
función de cómo es la disposición de los átomos o iones que lo forman. Si estos átomos
Lic. Guillermo Robino 9

10. Materiales UNSAM
o iones se colocan ordenadamente siguiendo un modelo que se repite en las tres
direcciones del espacio, se dice que el material es cristalino. Si los átomos o iones se
disponen de un modo totalmente aleatorio, sin seguir ningún tipo de secuencia de
ordenamiento, estaríamos ante un material no cristalino ó amorfo.
Aceros
No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de
hierro para producir el metal para ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro
descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3.000 a.c., y se sabe que antes
de esa época se empleaban adornos de hierro; los griegos ya conocían hacia el 1.000 a.c,
la técnica de cierta complejidad para endurecer armas de hierro mediante tratamiento
térmico.
Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las
aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.c.) se clasifican en la actualidad
como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de
hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el
mineral a una masa esponjosa de hierro metálico lleno de una escoria formada por
impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba
mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la
escoria y dejar el hierro. El hierro producido en esas condiciones solía contener un 3%
de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de
fabricación producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los
artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón
vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía
suficiente carbono para convertirse en acero.
Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición
y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o
mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la
parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más
carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era
el llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el
hierro forjado. El arrabio se refinaba después para fabricar acero.
La producción moderna de arrabio emplea altos hornos que son modelos perfeccionados
de los usados antiguamente. El proceso de refinado del arrabio para la producción de
acero mediante chorros de aire se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en
1855 desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre. Desde la década de 1960
funcionan varios mini hornos que emplean electricidad para producir acero a partir de
chatarra.
Las aleaciones de hierro y carbono -aceros y fundiciones- son las aleaciones metálicas
más importantes de la civilización actual. Por su volumen, la producción de fundición y
de acero supera en más de diez veces la producción de todos los demás metales juntos.
Corrientemente se da el nombre de acero y fundición, a las aleaciones hierro - carbono
(si tienen más del 2% de C son fundiciones y si tienen menos del 2% de C son aceros).
El hierro forma soluciones con muchos elementos: con los metales, soluciones por
sustitución, con el carbono, nitrógeno e hidrógeno, soluciones por inserción.
La solubilidad del carbono en el hierro depende de la forma cristalográfica en que se
encuentra el hierro. La solubilidad del carbono en el hierro (cúbica de cuerpo centrado)
es menor que el 0,02% y en el hierro (cúbica da caras centradas) es hasta el 2%.
Se distinguen tres grupos de aceros al carbono: eutectoides, que contienen cerca de un
Lic. Guillermo Robino 10

11. Materiales UNSAM
0,8% de C, cuya estructura está constituida únicamente por perlita: Hipoeutectoides, que
contienen menos del 0,8% de C, con estructura formada por ferrita y perlita.
Hipereutectoides, que contienen del 0,8 al 2% de C y cuya estructura consta de perlita y
cementita.
Microestructuras de los Aceros
Los constituyentes metálicos que pueden presentarse en los aceros al carbono son:
ferrita, cementita, perlita, sorbita, troostita, martensita, bainita, y rara vez austenita,
aunque nunca como único constituyente. También pueden estar presentes constituyentes
no metálicos como óxidos, silicatos, sulfuros y aluminatos.
El análisis de las microestructuras de los aceros al carbono recocidos y fundiciones
blancas deben realizarse en base al diagrama metaestable Hierro-carburo de hierro o
Cementita.
5- Curvas Temperatura-Tiempo-Transformación
Se denomina curva TTT al diagrama que relaciona el tiempo y la temperatura
requeridos para una transformación isotérmica.
Los diagramas TTT son gráficas que representan la temperatura frente al tiempo
(normalmente en escala logarítmica).
Son muy útiles para entender las transformaciones de un Acero que se enfría
isotérmicamente. Así por ejemplo, en el caso del acero, y más concretamente para la
fase Austenita, que es inestable debajo de la temperatura de transformación eutectoide,
se necesita saber cuánto tiempo requerirá para empezar a transformarse a una
temperatura subcrítica específica, cuánto tiempo precisará para estar completamente
trasformada y cuál será la naturaleza del producto de esta transformación.
Se elaboran con el porcentaje de transformación frente al logaritmo de las medidas de
tiempo.
Diagrama Fe-C
Las microestructuras que presenta el diagrama de equilibrio para los aceros al carbono
son:
Ferrita (Hierro alfa)
Es una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura
ambiente es del orden de 0.008% de carbono, por esto se considera como hierro puro, la
máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723 °C.
La ferrita en la metalurgia se denomina hierro alfa. Cristaliza en el sistema cúbico y se
emplea en la fabricación de: imanes permanentes aleados con cobalto y bario; en
núcleos de inductancias y transformadores con níquel, cinc o manganeso, ya que en
ellos quedan eliminadas prácticamente las Corrientes de Foucault.
Lic. Guillermo Robino 11

12. Materiales UNSAM
Las ferritas son materiales cerámicos ferromagnéticos, compuestos por hierro, boro y
bario, estroncio o molibdeno.
Las ferritas tienen una alta permeabilidad magnética, lo cual les permite almacenar
campos magnéticos con más fuerza que el hierro. Las ferritas se producen a menudo en
forma de polvo, con el cual se pueden producir piezas de gran resistencia y dureza,
previamente moldeadas por presión y luego calentadas, llegar a la temperatura de
fusión, dentro de un proceso conocido como sinterización. Mediante este procedimiento
se fabrican núcleos para transformadores, bobinas y otros elementos eléctricos o
electrónicos.
Los primeros ordenadores estaban dotados de memorias que almacenaban sus datos en
forma de campo magnético en núcleos de ferrita, los cuales estaban ensamblados en
conjuntos de núcleos de memoria.
Transformador eléctrico en subestación Motor de auxiliares para coches eléctricos
Microestructura del acero al carbono, cristales blancos de ferrita
La ferrita es la fase más blanda y dúctil de los aceros, cristaliza en la red cúbica centrada
en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la tracción de 28
kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%. La ferrita se observa al microscopio
como granos poligonales claros.
En los aceros, la ferrita puede aparecer como cristales mezclados con los de perlita, en
los aceros de menos de 0.6%C, formando una red o malla que limita los granos de
perlita, en los aceros de 0.6 a 0.85%C en forma de agujas o bandas circulares orientados
en la dirección de los planos cristalográficos de la austenita como en los aceros en bruto
de colada o en aceros que han sido sobrecalentados. Este tipo de estructura se denomina
Widmanstatten.
La ferrita también aparece como elemento eutectoide de la perlita formando láminas
paralelas separadas por otras láminas de cementita, en la estructura globular de los
aceros de herramientas aparece formando la matriz que rodea los glóbulos de cementita,
en los aceros hipoeutectoides templados, puede aparecer mezclada con la martensita
cuando el temple no ha sido bien efectuado.
Cementita
Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el
microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza
Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorómbica.
Lic. Guillermo Robino 12

13. Materiales UNSAM
Microestructura del acero 1%C, red blanca de cementita.
En las probetas atacadas con ácidos se observa de un blanco brillante y aparece como
cementita primaria o proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C formando una red
que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita como láminas paralelas
separadas por otras láminas de ferrita, se presenta en forma de glóbulos o granos
dispersos en una matriz de ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han sometido a
un recocido de globulización, en los aceros hipoeutectoides que no han sido bien
templados.
Perlita
Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita,
compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una
dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un alargamiento del
15%; el nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas
a las perlas. La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por
la transformación isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C.
Microestructura del acero al carbono, cristales oscuros de perlita
Si el enfriamiento es rápido (100-200°C/seg.), la estructura es poco definida y se
denomina Sorbita, si la perlita laminar se somete a un recocido a temperatura próxima a
723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita,
denominándose perlita globular.
Austenita
Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por
inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al
2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. La austenita no es
estable a la temperatura ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel
denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente.
La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de
300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no
es magnética.
Martensita
Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución sólida
sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento
rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas.
El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono,
sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7 %C.
La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250
kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto acicular
formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados.
Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se
corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura
inferior a la críticainferior (727°C), dependiendo de la dureza que se desee obtener,
enfriándolo luego al aire o en cualquier medio.
Troostita
Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la
austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple o
por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a
600°C, o por revenido a 400°C.
Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, tiene una dureza
Lic. Guillermo Robino 13

14. Materiales UNSAM
de 400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un
alargamiento del 5 al 10%. Es un constituyente nodular oscuro con estructura radial
apreciable a unos 1000X y aparece generalmente acompañando a la martensita y a la
austenita.
Sorbita
Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por enfriamiento de la
austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o por
transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650%, o por revenido a la
temperatura de 600%. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es
de 88 a 140 kg/mm2 ,con un alargamiento del 10 al 20%.
Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero con 1000X
toma la forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo oscuro, figura 16; de hecho
tanto la troostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino.
Bainita
Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita
cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian dos
tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580°C,
compuesta por una matriz ferrítica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a
250-4000C tiene un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas
alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos.
La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre las
correspondientes a la perlita y a la martensita.
Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados son los mismos de los
aceros al carbono, aunque la austenita puede ser único constituyente y además pueden
aparecer otros carburos simples y dobles o complejos.
La determinación del tamaño de grano austenítico o ferrítico, puede hacerse por la
norma ASTM o por comparación de la microfotografías de la probeta a 100X, con las
retículas patrón numeradas desde el 1 para el grano más grueso hasta el 8 para el grano
más fino.
En el sistema ASTM el grosor del grano austenitico se indica con un número
convencional n, de acuerdo con la formula:
logG=(n-1)log2
Donde G es el número de granos por pulgada cuadrada sobre una imagen obtenida a 100
aumentos; este método se aplica a metales que han recristalizado completamente, n es el
número de tamaño de grano de uno a ocho.
Forma, tamaño y distribución de los cristales o granos en la microestructura del acero
para comparación a 100X
Cualquier proceso de producción de acero a partir del Arrabio consiste en quemar el
exceso de carbono y otras impurezas presentes en el hierro.
Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400ºC
aproximadamente, que impide utilizar combustibles y hornos convencionales.
Para superar esta dificultad, se han desarrollado 3 importantes tipos de hornos para el
refinamiento del Acero, en cada uno de estos procesos el oxígeno se combina con las
impurezas y el carbono en el metal fundido. El oxígeno puede introducirse directamente
mediante presión dentro o sobre la carga a través del oxígeno en el aire, o en forma de
óxidos de hierro o herrumbre en la chatarra. Esto oxidará algunas impurezas, las que se
perderán como gases, mientras otras impurezas reaccionarán con la piedra caliza
fundida para formar una escoria que será colada posteriormente.
Lic. Guillermo Robino 14

15. Materiales UNSAM
Este es el Diagrama FeC en el cual en el eje 'x' se muestra el % de Carbono.
El hierro puro, al calentarse, experimenta dos cambios de la estructura cristalina antes
de fundir. A temperatura ambiente se llama ferrita o hierro alpha y tiene la estructura
BCC. A 912 ºC la ferrita se transforma a austenita FCC o hierro gamma. La austenita
persiste hasta los 1394 ºC, temperatura a la cual se convierte a ferrita delta, BCC, que
funde a 1538 ºC. Todos estos cambios aparecen a lo largo del eje vertical izquierdo del
diagrama de fases (Línea A).
El eje 'x' sólo llega hasta 6,70% en peso de C, concentración que coincide con la del
compuesto intermedio carburo de hierro o cementita (Fe3C), representado por una línea
vertical en el diagrama de fases. Prácticamente todos los aceros y fundiciones tienen
porcentajes inferiores a 6,70% C, por lo tanto sólo se considera este tramo.
El carbono es un soluto intersticial en el hierro y forma disoluciones sólidas con la
ferrita alpha y delta y con la austenita.
En la ferrita alpha sólo son solubles pequeñas concentraciones (0,022% peso a 727 ºC).
Esta fase es blanda y magnética por debajo de 768 ºC.
La austenita no es estable por debajo de los 727 ºC y la máxima solubilidad del carbono
en la austenita es 2,11% a 1148 ºC, ya que las posiciones intersticiales en la estructura
FCC tienen la forma adecuada para que al llenarse de átomos de carbono la deformación
a los átomos de hierro vecinos sea mucho menor.
La ferrita delta es como la ferrita alpha, sólo se diferencian en el tramo de temperaturas
en el cual existen. Como sólo existe a altas temperaturas no tiene importancia técnica.
Se forma cementita (Fe3C) cuando se excede el límite de solubilidad del carbono en
ferrita alpha por debajo de 727 ºC (la composición está comprendida en la región
alpha+Fe3C). La cementita es dura y frágil, y su presencia aumenta considerablemente
la resistencia de los aceros. La cementita no es un compuesto estable, permanece como
compuesto a temperatura ambiente indefinidamente pero si se caliente entre 650 y 700
Lic. Guillermo Robino 15

16. Materiales UNSAM
ºC durante varios años, se transforma en hierro alpha y carbono, en forma de grafito.
Los puntos importantes son los siguientes:
• Punto eutéctico. Ocurre para un contenido de 4,3% de C. En este punto la fase
líquida se transforma a los 1130 ºC en fase gamma (austenita) y Fe3C (cementita 6,7%
C)
• Punto eutectoide. Ocurre para un contenido de 0,77% de C. En dicho punto la
fase austenita se transforma a los 723 ºC en fase alpha (0,022% C) y Fe3C (cementita
6,7% C). Los aceros con un contenido en carbono inferior a 0,77 % se les denomina
hipoeutectoides y los que contienen un contenido superior se les denomina
hipereutectoides.
6- Resistencia de materiales
Según Raúl E. Mercedez1 M., la resistencia de materiales es el estudio de las
propiedades de los cuerpos sólidos que les permite resistir la acción de las fuerzas
externas, el estudio de las fuerzas internas en los cuerpos y de las deformaciones
ocasionadas por las fuerzas externas. A diferencia de la Estática, que trata del estudio de
las fuerzas que se inducen en las diferentes componentes de un sistema, analizándolo
como cuerpo rígido, la Resistencia de Materiales se ocupa del estudio de los efectos
causados por la acción de las cargas externas que actúan sobre un sistema deformable.
Propiedades mecánicas de los materiales: cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo, se
presentan fuerzas resistentes en las fibras del cuerpo que llamaremos fuerzas internas.
Fuerza interna es la resistencia interior de un cuerpo a una fuerza externa. Cuando
usamos el término esfuerza, queremos decir la magnitud de la fuerza por unidad de área.
Resistencia: la resistencia de un material es la propiedad que tienen para resistir la
acción de las fuerzas. Los tres esfuerzos básicos son los de compresión, tensión y
cortante. Por lo tanto, al hablar de la resistencia de un material deberemos conocer el
tipo de esfuerzo a que estará sujeto. Por ejemplo, los esfuerzos de tensión y compresión
del acero estructural son casi iguales, mientras que el fierro vaciado es más resistente a
compresión y relativamente débil en tensión.
Rigidez: La propiedad que tiene un material para resistir deformaciones se llama
rigidez. Si, por ejemplo, dos bloques de igual tamaño, uno de acero y otro de madera
están sujetos a cargas de compresión, el bloque de madera se acortara más que el de
acero. La deformación (acortamiento) de la madera es probablemente 30 veces mayor
que la del acero, y decimos que éste último es, por lo tanto, más rígido.
Elasticidad: es la habilidad de un material para recuperar sus dimensiones originales al
retirar el esfuerzo aplicado.
Plasticidad: es la capacidad de un material para deformarse bajo la acción de un
esfuerzo y retener dicha acción deformación al retirarlo.
1
Especialista de la Universidad Central de Las Villas. Cuba.
Lic. Guillermo Robino 16

17. Materiales UNSAM
Ductilidad: es la habilidad de un material para deformarse antes de fracturarse. Es una
característica muy importante en el diseño estructural, puesto que un material dúctil es
usualmente muy resistente a cargas de impacto. Tiene además la ventaja de “avisar”
cuando va a ocurrir la fractura, al hacerse visible su gran deformación.
Fragilidad: es lo opuesto de ductilidad. Cuando un material es frágil no tiene
resistencia a cargas de impacto y se fractura aún en carga estática sin previo aviso.
Límite de proporcionalidad: es el punto de la curva en la gráfica de esfuerzo-
deformación, hasta donde la deformación unitaria es proporcional al esfuerzo aplicado.
Punto de cedencia: es el punto en donde la deformación del material se produce sin
incremento sensible en el esfuerzo.
Resistencia última: es el esfuerzo máximo basado en la sección transversal original,
que puede resistir un material.
Resistencia a la ruptura: es el esfuerzo basado en la sección original, que produce la
fractura del material. Su importancia en el diseño estructural es relativa ya que al pasar
el esfuerzo último se produce un fenómeno de inestabilidad. Modulo de elasticidad: es
la pendiente de la parte recta del diagrama de esfuerzo deformación y por consiguiente,
la constante de proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación unitaria. Se
denomina con la letra E y su valor para el acero es de 2,100,000 kg./cm2, la madera
varía entre 77,300 y 1,237,500 kg./cm2, y del concreto es de 10,000 vf’c, en donde f’c
es la resistencia del concreto en kg./cm2.
7- Los materiales compuesto
Según el Dr. Lázaro Pino Rivero los materiales compuestos son aquellos que están
formados por combinaciones de metales, cerámicos y polímeros. Las propiedades que
se obtienen de estas combinaciones son superiores a la de los materiales que los forman
por separado, lo que hace que su utilización cada vez sea más imponente sobre todo en
aquellas piezas en las que se necesitan propiedades combinadas, en la que un material
(polímero, metal o cerámico) por sí solo no nos puede brindar. Las propiedades que se
obtienen son un producto de la combinación de los refuerzos que se utilicen y de la
matriz que soporta al refuerzo en los materiales compuestos, el cual también juega un
papel importante en la aplicación por lo que resulta necesario hacer referencia a las
propiedades que se obtienen al combinar refuerzo-matriz.
En general, la desventaja más clara de los materiales compuestos es el precio. Las
características de los materiales y de los procesos encarecen mucho el producto. Para
ciertas aplicaciones las elevadas propiedades mecánicas, tales como la alta rigidez
específica, la buena estabilidad dimensional, la tolerancia a altas temperaturas, la
Lic. Guillermo Robino 17

18. Materiales UNSAM
resistencia a la corrosión, la ligereza o una mayor resistencia a la fatiga que los
materiales clásicos compensan el alto precio.
Además del refuerzo y la matriz existen otros tipos de componentes como cargas y
adictivos que dotan a los materiales compuestos de características peculiares para cada
tipo de fabricación y aplicación.
Estructura de los materiales compuestos
Matriz
Es el volumen donde se encuentra alojado el refuerzo, se puede distinguir a simple vista
por ser continuo. Los refuerzos deben estar fuertemente unidos a la matriz, de forma que
su resistencia y rigidez sea transmitida al material compuesto. El comportamiento a la
fractura también depende de la resistencia de la interfase. Una interfase débil da como
resultado un material con baja rigidez y resistencia pero alta resistencia a la fractura y
viceversa.
Las matrices se pueden clasificar en: Matrices orgánicas y Matrices inorgánicas.
Los materiales compuestos de matriz metálica (CMM) han sido destinados
especialmente a aplicaciones estructurales en la industria automotriz, aeroespacial,
militar, eléctrica y electrónica, las cuales usualmente exigen alta rigidez, resistencia y
módulo específico. Para el caso de las aplicaciones en el sector eléctrico y electrónico,
se requiere en el diseño de los materiales, propiedades termomecánicas y termofísicas
con una máxima transferencia de calor.
Los materiales metálicos de uso más común en CMM son las aleaciones ligeras de Al,
Ti y Mg; siendo el Al el de mayor consumo debido a su bajo costo, baja densidad,
buenas propiedades mecánicas, alta resistencia a la degradación ambiental y fácil
manipulación. También se destaca el uso de aleaciones base Cu, al igual que se está
investigando el uso de semiconductores, superaleaciones y compuestos intermetálicos.
Dos de los últimos ejemplos de la fuerza motriz japonesa son los trenes bala de la Serie 300 (izquierda) y
100. Gracias al empleo de aleaciones ligeras, el último modelo de la Serie 300 circula 50 km/h más rápido
que su predecesor, que lo hacia a 270 km/h y pesa unas 200 toneladas menos.
Lic. Guillermo Robino 18

19. Materiales UNSAM
Refuerzos
Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en tres categorías: fibras, whiskers y
partículas. Desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se puede obtener una gran
mejora mediante el uso de fibras continuas, reforzando en la dirección del esfuerzo
aplicado; mientras que con whiskers y partículas se experimenta una disminución de
resistencia pero se obtiene una gran isotropía en el material.
Interfase matriz-refuerzo
La zona de interfase es una región de composición química variable, donde tiene lugar
la unión entre la matriz y el refuerzo, que asegura la transferencia de las cargas
aplicadas entre ambos y condiciona las propiedades mecánicas finales de los materiales
compuestos.
CMM: propiedades y comportamiento
Bajo condiciones ideales, el material compuesto muestra un límite superior de
propiedades mecánicas y físicas definido generalmente por la regla de las mezclas. Es
posible sintetizar material compuestos con una combinación de propiedades específicas
de la aleación (tenacidad, conductividad eléctrica y térmica, resistencia a la temperatura,
estabilidad ambiental, procesabilidad) con las propiedades específicas de los cerámicos
reforzantes (dureza, alto módulo de Young, bajo coeficiente de expansión térmica).
Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas que exhiben los CMM son consideradas superiores con
respecto a los materiales que los componen de manera individual, como ya se ha
señalado anteriormente. Dicho aumento en propiedades, depende de la morfología, la
fracción en volumen, el tamaño y la distribución del refuerzo en la aleación base.
Además dichos factores controlan la plasticidad y los esfuerzos térmicos residuales de la
matriz
Se ha comprobado cómo varía la dureza de un material compuesto en estado de
obtención y después de un tratamiento térmico, así como respecto al incremento del
volumen del reforzante. La experiencia muestra un incremento en la resistencia a la
tracción al variar el % de volumen de la fracción reforzante, tanto en el material sin
tratamiento térmico, como con tratamiento térmico.
La resistencia a la tracción en los materiales compuestos con partículas duras y blandas
varía en función del volumen del material reforzante
Por su parte la deformación de los materiales compuestos tiene una tendencia inversa al
incremento del volumen de partículas reforzantes Similar comportamiento a la
elongación tiene la resistencia al impacto
Propiedades térmicas
Las propiedades térmicas fundamentales a considerar en los CMM son el CET y la
conductividad térmica (CT) Dependiendo de la fracción de volumen de refuerzo, su
morfología y su distribución en la aleación base, se obtienen diferentes valores de
ambas propiedades. Ambos pueden ser modificados por el estado de precipitación de la
matriz y por el tipo de aleación de la matriz. Es así como el CET de las aleaciones de
Lic. Guillermo Robino 19

20. Materiales UNSAM
titanio es muy similar a algunos tipos de fibras reforzantes, lo cual se considera una
ventaja ya que se disminuyen los esfuerzos residuales debido a la diferencia térmica
entre las fibras y la matriz.
Algunos investigadores conciben que en la medida en que la CT de la aleación matriz se
vea disminuida con la introducción de partículas cerámicas, esto puede verse
compensado si la fase cerámica que se usa como refuerzo es conductora.
Conclusiones
1. Los materiales compuestos son aquellos que están formados por combinaciones
de metales, cerámicos y polímeros. Las propiedades que se obtienen de estas
combinaciones son superiores a la de los materiales que los forman por separado,
lo que hace que su utilización cada vez sea más imponente sobre todo en aquellas
piezas en las que se necesitan propiedades combinadas.
2. Las técnicas de producción para CMM se clasifican básicamente en cuatro tipos
según el estado de la matriz durante el proceso: en estado líquido (fundición,
infiltración), en estado sólido (pulvimetalurgía (PM), sinterización, prensado en
caliente), en estado semisólido (compocasting) y en estado gaseoso (deposición de
vapor, atomización, electrodeposición), éste último de poca difusión, pero bastante
utilizado en la obtención de CMM para el sector electrónico
3. La pulvimetalurgia es uno de los métodos más empleados para la obtención de
materiales compuestos con matriz de aluminios, entre los pasos seguidos para la
obtención de estos materiales se encuentran: Mezclado de los polvos,
Compactado, Sinterizado y Acabado del producto
8- Normas ASTM
Creada en 1898, ASTM International es una de las mayores organizaciones en el mundo
que desarrollan normas voluntarias por consenso. ASTM es una organización sin ánimo
de lucro, que brinda un foro para el desarrollo y publicación de normas voluntarias por
consenso, aplicables a los materiales, productos, sistemas y servicios. Los miembros de
ASTM, que representan a productores, usuarios, consumidores, el gobierno y el mundo
académico de más de 100 países, desarrollan documentos técnicos que son la base para
la fabricación, gestión y adquisición, y para la elaboración de códigos y regulaciones.
Estos miembros pertenecen a uno o más comités, cada uno de los cuales cubre un área
temática, como por ejemplo acero, petróleo, dispositivos médicos, gestión de la
propiedad, productos para el consumidor, y muchos más. Estos comités desarrollan más
de las 11,000 normas ASTM que se pueden encontrar en el Annual Book of ASTM
Standards, de 77 volúmenes.
Definimos a una norma como un documento que ha sido desarrollado y establecido
dentro de los principios de consenso de la organización, y que cumple los requisitos de
los procedimientos y regulaciones de ASTM. Las normas elaboradas por consenso se
elaboran con la participación de todas las partes que tienen intereses en el desarrollo o
uso de las normas.
Las normas ASTM las usan individuos, compañías y agencias en todo el mundo. Los
compradores y vendedores incorporan normas en sus contratos; los científicos e
Lic. Guillermo Robino 20

21. Materiales UNSAM
ingenieros las usan en sus laboratorios y oficinas; los arquitectos y diseñadores las usan
en sus planos; las agencias gubernamentales de todo el mundo hacen referencia a ellas
en códigos, regulaciones y leyes; y muchos otros las consultan para obtener orientación
sobre muchos temas.
Las normas ASTM son "voluntarias" en el sentido de que ASTM no exige observarlas.
Sin embargo, las autoridades gubernamentales con facultad normativa con frecuencia
dan fuerza de ley a las normas voluntarias, mediante su cita en leyes, regulaciones y
códigos. En los Estados Unidos, la relación entre los normalizadores del sector privado
y el sector público se ha fortalecido con la promulgación, en 1995, de la Ley Nacional
sobre Transferencia y Avance Tecnológico (Ley Pública 104-113). La ley exige a las
agencias gubernamentales el uso de normas desarrolladas en forma privada, siempre que
sea posible, ahorrando de esta manera millones de dólares a los contribuyentes, al evitar
la duplicación de esfuerzos de normalización. Los usos de las normas ASTM son
innumerables, y entre ellos se encuentran:
Petróleo: los viajeros por tierra y por aire tienen confianza en la calidad estándar de los
combustibles que usan a donde quiera que vayan debido al gran número de normas
ASTM aplicables al petróleo, reconocidas alrededor del mundo.
Medio ambiente: los constructores de edificaciones comerciales pueden satisfacer los
requisitos de la Ley de Respuesta Ambiental Exhaustiva, Compensación y
Responsabilidad (CERCLA), valiéndose de las normas ASTM para evaluaciones
ambientales en el sitio.
Deportes y equipos recreativos: la incidencia y severidad de las lesiones en la cabeza
se reduce cuando los ciclistas usan casco, y otros dispositivos de protección fabricados
con base en una norma ASTM.
Lic. Guillermo Robino 21

22. Materiales UNSAM
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN
MATERIALES
UNIDAD II
Lic. Guillermo Robino
2010
1. Tecnología de los materiales. Procesos. Defectos.
Ensayos no destructivos
En la práctica de ensayos no destructivos realizamos los siguientes:
1. Líquidos penetrantes
2. Ultrasonidos
3. Partículas magnéticas
4. Corrientes inducidas
De las cuales pasamos describir la forma de realizarlas sin ensayar ningún tipo de
material en especial. La práctica se realizó de manera teórica, en la que sólo se
introdujeron unos conocimientos fundamentales.
1. Líquidos penetrantes
Sirve para detectar grietas y discontinuidades en la superficie de materiales sólidos no
porosos.
Se utiliza con una gran capacidad de penetrar en las piezas por capilaridad. Tras
eliminar el líquido sobrante de la superficie y transcurrido un tiempo se le aplica un
revelador que exuda al penetrante hacia la superficie; el dibujo que se forma en la
superficie del material nos orienta de la situación y relativo tamaño de las grietas.
El ensayo se divide en cinco etapas bien diferenciadas:
a) Limpieza y preparación previas de la superficie
La superficie debe estar limpia y seca, también libre de agua, u otros agentes.
Lic. Guillermo Robino 22

23. Materiales UNSAM
b) Penetración
Aplicar el penetrante y dejar actuar el tiempo necesario.
c) Eliminación del exceso de líquido penetrante
Tratar de quitar los excesos de penetrante para que en la observación final haya
suficiente contraste.
d) Revelado
Extractos del penetrante, hace que éste salga de las discontinuidades y se manifieste en
la superficie del material. El contraste de colores, de revelados y penetrante nos indica
la posición de las grietas o discontinuidades.
e) Observación
Es la fase para la que más experiencia se necesita ya que se deben sacar conclusiones
veraces de lo que se vea.
Cuanto más profunda y ancha sea la grieta, más penetrante se observará, pero es muy
arriesgado intentar precisar la profundidad de una grieta. Para que las posibles
discontinuidades estén libres de agua, aceite u otros agentes, que puedan interferir en la
penetración del líquido en éstas.
2. Ultrasonidos
Se utilizan frecuencias superiores a los 20 Khz. y son inaudibles para los humanos al no
sobrepasar el umbral de la percepción acústica.
Las ondas ultrasónicas se propagan en cualquier medio si son de tipo longitudinal y sólo
en cuerpos sólidos si son transversales. Tienen la propiedad de propagarse en el vacío y
de depender de la naturaleza de su medio de propagación en cuanto a su velocidad.
Los ultrasonidos sufren fenómenos de reflexión, refracción y difusión, de igual forma
que las ondas acústicas y luminosas, dependiendo su propagación de la impedancia
acústica del medio en que lo hagan. De esta forma, cuando un haz de ultrasonidos llega
a la superficie de separación de dos medios cuyas impedancias acústicas son diferentes,
una parte del haz se refleja, otra es refractada, y una tercera, se difunde.
En esta propiedad se basan las múltiples aplicaciones de los ultrasonidos en los ensayos
no destructivos, ya que una onda ultrasónica propagándose en un material es reflejada
cuando se encuentra con la más tenue capa de aire.
Este ensayo se realiza sobre todo para ensayar materiales que puedan tener grietas o
defectos en el interior de su estructura y que a simple vista no se pueden apreciar. Con
esta prueba se pueden detectar y cuantificar en tamaño y grosor las posibles grietas o
defectos internos del material. También se pueden medir espesores de piezas con una
gran precisión.
Lic. Guillermo Robino 23

24. Materiales UNSAM
Los ultrasonidos son vibraciones elásticas de muy alta frecuencia (superior a 20 Khz.).
Las ondas ultrasónicas longitudinales pueden propagarse en cualquier medio y, las
transversales sólo en cuerpos sólidos. Pueden propagarse en el vacío y su velocidad
dependerá de la naturaleza del medio de propagación. Los ultrasonidos sufren además
los fenómenos de reflexión, refracción y difusión.
Está basada en el hecho, de que cuando un haz de ultrasonidos llega a la superficie de
separación de dos medios cuyas impedancia acústicas son diferentes, una parte del haz
se refleja, otra se refracta y la tercera se difunde.
3. Partículas magnéticas
Este ensayo permite detectar discontinuidades e impurezas superficiales, tales como
inclusiones no metálicas en metales ferromagnéticos.
También es posible la detección de discontinuidades e inclusiones no metálicas
superficiales.
El ensayo consta, básicamente, de tres etapas:
3.1) Magnetización de la pieza
3.2) Aplicación de las partículas magnéticas
Entre los factores que afectan a la formación de las indicaciones cabe destacar:
• Dirección e intensidad del campo magnético
• Forma, tamaño y orientación de la discontinuidad respecto al campo magnético
• Características de las partículas magnéticas y modo de aplicarlas
• Características magnéticas de la pieza a estudiar
• Forma y dimensiones de la pieza, de ella dependerá el campo magnético
• Estado de la superficie de la pieza, que afectará a la nitidez de las indicaciones
Este ensayo, se realiza con el fin de detectar defectos, como son las discontinuidades en
la superficie del material.
Las partículas magnéticas se utilizan para detectar los campos de fuga que se originan
en las grietas.
El tamaño de las partículas magnéticas influye bastante, ya que si estas partículas son
muy gruesas, serán necesarias fuerzas muy grandes para moverlas y por tanto, sólo
valdrán para grandes campos de fugas; por el contrario, si son demasiado finas, se
adherirán a la superficie aunque no existan discontinuidades, dando lugar a resultados
no fiables.
4. Corrientes inducidas
Este ensayo se utiliza para la detección de defectos superficiales en piezas metálicas
cuya conductividad eléctrica está comprendida entre 0,5 y 60 1/ðmm. En algunos casos
es posible determinar la profundidad de la grieta.
Lic. Guillermo Robino 24

25. Materiales UNSAM
Para realizar el ensayo se utiliza un defectómero, que es un aparato electrónico; consta
de un palpador que tiene en su interior una bobina, que está recorrida por una corriente
alterna de elevada frecuencia que origina un campo magnético que, a su vez, induce
corriente en la superficie de la pieza.
Estas corrientes inducidas en la pieza ejercen su influencia sobre las características
eléctricas de la bobina y, más concretamente, sobre su impedancia. Cuando existen
defectos en la superficie de la pieza, la distribución de las corrientes origina un cambio
de impedancia en la bobina que se traduce en un cambio de la indicación de la aguja en
la escala.
Pasos para la realización del ensayo:
• Se ajusta el defectómetro, lo que implica verificar el estado de la batería
• Seleccionar el tipo de material
• Conectar el palpador y, seguidamente calibrar la aguja hasta señalar el número
cero.
• El palpador se desliza sobre la pieza y cundo éste pase por un defecto, la aguja
se desviará hacia la derecha.
2. Tratamientos Térmicos
Los ensayos térmicos pretenden estudiar las propiedades mecánicas que presentan los
materiales cuando se les somete a diversas temperaturas.
a. Procesos
1a. Templado
Es un proceso que se consigue superando la temperatura crítica y un enfriamiento muy
rápido en agua para obtener un buen temple.
La temperatura a la que es calentada la probeta es de 900 ºC.
Al introducir la probeta a alta temperatura en el agua, es necesario moverla para que los
gases que provocan su enfriamiento rápido no creen una zona gaseosa en la superficie
de la probeta expuesta a este fenómeno.
Con este proceso aumentamos la dureza del material.
2a. Revenido
Se trata de calentar una probeta que ya ha sufrido un temple.
La temperatura de calentamiento debe ser inferior a la temperatura crítica, al igual que
la velocidad de enfriamiento, que se realiza de manera muy lenta, normalmente al aire.
El revenido lo estudiamos para saber como varía la dureza del material, una vez
templado a distintas temperatura.
Lic. Guillermo Robino 25

26. Materiales UNSAM
b. Características del temple
Se define la capacidad de temple como la máxima dureza que podemos obtener en el
proceso de templado.
Un acero será capaz de endurecerse hasta un nivel determinado, dependiendo del
porcentaje de carbono que éste tenga.
Se entiende por templabilidad a la propiedad que tiene un material para que el temple
penetre, es decir, la capacidad de endurecerse hasta cierta profundidad.
En aceros, la templabilidad de una probeta, depende de los elementos de aleación por
los que esté compuesta así, cuanto mayor sea el número de ellos, mayor será su
templabilidad.
Por todo esto, un acero con mayor número de elementos será más caro que otro con
menor cantidad de ellos.
c. Pasos del ensayo
• Determinación de la dureza de la probeta, sin que ésta haya sufrido ningún
tratamiento, es decir, recibida de la empresa suministradora.
• Templado y comprobación de la nueva dureza, una vez que, la probeta ha sido
templada a 900ºC.
• Con otras probetas templadas, como la anterior, realizamos dos revenidos a
diferentes temperaturas de 550ºC y 300ºC para estudiar la variación de la dureza
de estas dos nuevas probetas.
La medición de la dureza de este ensayo, se realizó por el método Rockwell-C. Donde C
nos indica que el penetrador es un cono; también sabemos que cuanto más penetre el
cono en la probeta, menor será la dureza de la misma.
La escala del durómetro Rockweell-C (HRC) será de 130 divisiones, realizando una
huella de 0,2 mm como máximo.
d. Forma de realizar el ensayo de dureza
Una vez situada la probeta sobre la base del durómetro, por medio de un tornillo sin fin
vamos acercando la probeta al cono del durómetro.
Cuando la probeta y la punta del cono estén en contacto, empezamos a introducir
presión entre ambas, lo cual se consigue girando con el mismo sentido que el tornillo
sin fin, anteriormente mencionado, hasta ajustar el durómetro a una línea de referencia,
que indica "Stop" y es visible en la pantalla del durómetro.
Al llegar a esta línea aseguramos el contacto de la probeta con la punta del cono a un
peso de 10 Kg.; por medio de una palanca suministramos a la probeta una carga de 140
Kg., además de los 10 Kg. anteriores, durante uno a diez segundos, aproximadamente.
Lic. Guillermo Robino 26

27. Materiales UNSAM
Transcurrido este tiempo, volvemos a colocar a la palanca en su estado inicial y
comprobamos que la escala nos da un valor, el del resultado de la prueba.
Después de efectuar el ensayo de dureza, con los valores de dureza obtenidos, buscamos
en una tabla el valor de resistencia, que nos merecen los datos obtenidos.
e. Ensayo Jominy
Este ensayo sirve para determinar la templabilidad de un material. Posteriormente se
establece una curva Jominy cuya templabilidad reflejada, dependerá de la aleación del
material.
La temperatura de temple será de uno a 50-60ºC más elevada que A3, debiendo tomar
precauciones para evitar que se descarbure u oxide la probeta durante el calentamiento.
Pasados 30 minutos de estancia de la pieza en el horno, se procede al enfriamiento en un
dispositivo de 12,5 mm. de diámetro, el cual suministra agua, aproximadamente a 25ºC ,
por la parte inferior.
El caudal de agua se regula de manera que la altura del chorro sea de unos 65mm.
Para finalizar el estudio completo del ensayo, la probeta debe sacarse del horno y
colocarse en el dispositivo de agua (enfriador), manteniéndola sobre el caudal durante
10 minutos, transcurridos los cuales, se completa su enfriamiento hasta la temperatura
ambiente sumergiéndola en agua.
3. Fractografía
La fractografía es el método por el cual se realiza el análisis de las características de la
fractura en un material para conocer sus causas y mecanismos y así conocer los motivos
que provocan la falla de materiales.
Es importante también analizar las causas de las fracturas discutiendo los
concentradores de esfuerzo anormales que involucran problemas de material, fracturas
de proceso, daño por mala manipulación, y cortes y ranuras.
Los problemas de material tales como inclusiones y bolsas de contracción generalmente
son internos, indicando que los puntos de inicio pueden estar por debajo de la
superficie. La forma de inclusión puede ser esférica, o larga y delgada como una mina
de lápiz. Las bolsas de contracción son cavidades de forma irregular.
Observaciones visuales pueden identificar el inicio de la falla del material.
3.1.- Fractura quebradiza: Son rápidas, cristalinas y sin deformación
3.1.2. En metales labrados hay abundancia de espiguillas y con brillo
Lic. Guillermo Robino 27

28. Materiales UNSAM
3.1.3. En metales fundidos hay que escasez de espiguillas y opacidad
3.2. Fracturas dúctiles: Existe labio cortante y grande, hay falta de brillo, superficie
áspera y leñosa y con deformación plástica notoria.
Lic. Guillermo Robino 28

29. Materiales UNSAM
3.3. Fractura por fatiga: Se caracteriza por superficie color claro, con marcas de
OLAS, plana y lisa.
3.5. Ejemplos reales
Lic. Guillermo Robino 29

30. Materiales UNSAM
Resultados de las características de la fractura del cilindro boom de Pala.
Resultados del inicio y final de la fractura del cilindro boom.
Lic. Guillermo Robino 30

31. Materiales UNSAM
Resultados de concentradores de esfuerzo anormales del cilindro boom.
Lic. Guillermo Robino 31

32. Materiales UNSAM
Microscopios para metalografía
La metalografía es la disciplina que estudia microscópicamente las características
estructurales de un metal o de una aleación. Sin duda, el microscopio es la herramienta
más importante del metalurgista tanto desde el punto de vista científico como desde el
técnico. Es posible determinar el tamaño de grano, forma y distribución de varias fases e
inclusiones que tienen gran efecto sobre las propiedades mecánicas del metal. La
microestructura revelará el tratamiento mecánico y térmico del metal y, bajo un
conjunto de condiciones dadas, podrá predecirse su comportamiento esperado.
La experiencia ha demostrado que el éxito en el estudio microscópico depende en
mucho del cuidado que se tenga para preparar la muestra. El microscopio más costoso
no revelará la estructura de una muestra que haya sido preparada en forma deficiente. El
procedimiento que se sigue en la preparación de una muestra es comparativamente
sencillo y requiere de una técnica desarrollada sólo después de práctica constante. El
último objetivo es obtener una superficie plana, sin ralladuras, semejante a un espejo.
Las etapas necesarias para preparar adecuadamente una muestra metalografíca. Para
esto se pensó en realizar una práctica en la cual pudiéramos observar una pieza cuyas
características fueran conocidas y así hacer la prueba de comprobación de los granos de
la muestra en este caso fue un acero A-36 cuyo procedimiento se explican a
continuación:
4. Tamaño de grano
El tamaño de grano tiene un notable efecto en las propiedades mecánicas del metal. Los
efectos del crecimiento de grano provocados por el tratamiento térmico son fácilmente
predecibles. La temperatura, los elementos aleantes y el tiempo de impregnación
térmica afectan el tamaño del grano.
En metales, por lo general, es preferible un tamaño de grano pequeño que uno grande.
Los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza y se
distorsionan menos durante el temple, así como también son menos susceptibles al
agrietamiento. El grano fino es mejor para herramientas y dados. Sin embargo, en los
aceros el grano grueso incrementa el endurecimiento, el cual es deseable a menudo para
la carburización y también para el acero que se someterá a largos procesos de trabajo en
frío.
Todos los metales experimentan crecimiento de grano a altas temperaturas. Sin
Lic. Guillermo Robino 32

33. Materiales UNSAM
embargo, existen algunos aceros que pueden alcanzar temperaturas relativamente altas
(alrededor de 1800 F o 982 C) con muy poco crecimiento de grano, pero conforme
aumenta la temperatura, existe un rápido crecimiento de grano. Estos aceros se conocen
como aceros de grano fino. En un mismo acero puede producirse una gama amplia de
tamaños de grano.
4. 2 Clasificación de los tamaños de grano
Existen diversos métodos para determinar el tamaño de grano, como se ven en un
microscopio. El método que se explica aquí es el que utiliza con frecuencia los
fabricantes. El tamaño de grano se determina por medio de la cuenta de los granos en
cada pulgada cuadrada bajo un aumento de 100X. La figura A es una carta que
representa el tamaño real de los granos tal como aparece cuando se aumenta su tamaño
100X. El tamaño de grano especificado es por lo general, el tamaño de grano
austenítico. Un acero que se temple apropiadamente debe exhibir un grano fino.
Clasificación del tamaño de grano
5. Examen microscópico de los metales
Los detalles de la estructura de los metales no son fácilmente visibles, pero las
estructuras de grano de los metales pueden verse con un microscopio. Las
características del metal, el tamaño de grano y el contenido de carbono pueden
determinarse estudiando la micrografía.
Lic. Guillermo Robino 33

34. Materiales UNSAM
Metalografía de aceros estructurales ASTM A36 y ASTM A514 (La estructura debía ser
por plano ASTM A514, pero el fabricante ocupo un ASTM A36, lo cual causo la
fractura de la estructura)
El porcentaje aproximado de carbón puede estimarse por medio de porcentaje de perlita
(zonas oscuras) en los aceros al carbono recocidos. Para este propósito, se utilizan un
microscopio metalúrgico y técnicas asociadas de foto microscopia. El microscopio
metalúrgico de luz reflejada es similar a aquellos utilizados para otros propósitos,
excepto que contiene un sistema de iluminación dentro del sistema de lentes para
proveer iluminación vertical.
Algunos microscopios también tienen un retículo y una escala micrométrica para medir
la imagen aumentada. Otro retículo que se utiliza contiene los diferentes tamaños de
grano a aumentos de 100X y se utiliza para comparar o medir el tamaño de grano
relativo. Los filtros y polarizadores se utilizan en la iluminación o el sistema óptico para
reducir el brillo y mejorar la definición de las estructuras de grano. En poder de
aumento del microscopio puede determinarse si se multiplica el poder de la lente
objetivo por el del ocular. Por tanto, un lente objetivo de 40X con un ocular de 12.5X
Lic. Guillermo Robino 34

35. Materiales UNSAM
agrandaría la imagen hasta 500X (500 diámetros).
Los microscopios de platina invertida ofrecen un diseño más moderno. En este
instrumento la muestra se coloca boca abajo en la platina. Se utiliza un microscopio de
platina invertida, junto con una cámara de video y un monitor de TV de circuito
cerrado. El poder 400 del microscopio, pero se pierde algo de resolución. La mayor
ventaja de este arreglo se obtiene en la visualización de grupo. Los instrumentos de
metalografía también permiten una observación en grupo del aumento metalúrgico. La
imagen se proyecta sobre una pantalla de brillo mate. En los grandes laboratorios
metalúrgicos se utilizan modelos de gran tamaño.
Muchos instrumentos metalográficos tienen la capacidad de producir microfotografías
de color instantáneas o estándar. Para obtener fotografías existen adaptadores para la
mayoría de los microscopios. Los acaparadores de manga sencilla pueden utilizarse con
una cámara SLR de 35mm para la toma de foto micrografías. Con este arreglo simple, el
obturador se abre y se permite la entrada de la luz durante pocos segundos (6 a 8
segundos con una película Panatomic-X de 32 ASA). El enfoque se realiza sobre le
vidrio mate de la cámara.
Preparación de la muestra.
La muestra debe seleccionarse de la zona de la pieza que necesita eximirse y en la
orientación apropiada. Es decir, si el flujo de grano o la distorsión es importante, puede
ser que una sección transversal de la parte no muestre granos alargados; únicamente una
tajada paralela a la dirección de laminado revelaría adecuadamente los granos alargados
debido al laminado. Algunas veces se requiere más de una muestra. Usualmente, una
soldadura se examina por medio de una sección transversal.
Los materiales blandos (de durezas menores a 35 Rc) pueden seccionarse por aserrado,
pero los materiales más duros deben cortarse con un disco agresivo. Las sierras de corte
metalúrgico con hojas abrasivas y flujo de refrigerante son las herramientas que se usan
para este propósito. La muestra no debe sobrecalentarse, no importa si es dura o blanda.
Las estructuras de grano pueden alterarse con una alta temperatura de corte.
La muestras pequeños o de forma incomoda deben montarse de alguita manera para
facilitar el pulido intermedio y final. Alambres, varillas pequeños muestras de hoja
metálica, secciones delgadas, etc. Deben montarse en un material adecuado o sujetarse
rígidamente en una monta mecánica.
A menudo, se utiliza los plásticos termofijos conformándolos con calor y presión
alrededor de la muestra. La resina termo fijada que más se emplea para montar muestras
es la baquelita.
Pulido de la muestra.
Los granos y otras características de los metales no pueden verse al menos que la
muestra se desbaste y se pula para eliminar las ralladuras. Se utilizan diferentes métodos
de pulido tales como el electrolítico, el rotatorio o el de vibración.
El procedimiento más común consiste en desbastar primero la superficie de la muestra
en una lijadora de la banda y luego a mano con papel abrasivo de varios grados, desde el
número de partícula de 240 hasta de 600.
Lic. Guillermo Robino 35

36. Materiales UNSAM
• -Pulido intermedio
La muestra se pule sobre una serie de hojas de esmeril o lija con abrasivos más finos,
sucesivamente.
El primer papel es generalmente no. 1, luego 1/0, 2/0, 3/0 y finalmente 4/0. Por lo
general, las operaciones de pulido intermedio con lijas de esmeril se hacen en seco; sin
embargo, en ciertos casos, como el de preparación de materiales suaves, se puede usar
un abrasivo de carburo de silicio. Comparado con el papel esmeril, el carburo de silicio
tiene mayor rapidez de remoción y, como su acabado es a base de resina, se puede
utilizar con un lubricante, el cual impide el sobrecalentamiento de la muestra, minimiza
el daño cuando los metales son blandos y también proporciona una acción de enjuague
para limpiar los productos removidos de la superficie de la muestra, de modo que le
papel no se ensucie.
• -Pulido fino
El tiempo utilizado y el éxito del pulido fino dependen en mucho del cuidado puesto
durante los pasos de pulido previo. La última aproximación a una superficie plana libre
de ralladuras se obtiene mediante una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño
especial cargado con partículas abrasivas cuidadosamente seleccionadas en su tamaño.
Existe gran posibilidad de abrasivos para efectuar el último pulido. En tanto que
muchos harán un trabajo satisfactorio parece haber preferencia por la forma gama del
óxido de aluminio para pulir materiales ferrosos y de los basados en cobre, y óxido de
serio para pulir aluminio, magnesio y sus aleaciones. Otros abrasivos para pulido final
que se emplean a menudo son la pasta de diamante, óxido de cromo y óxido de
magnesio.
La selección de un paño para pulir depende del material que vaya a pulirse y el
propósito del estudio metalográfico. Se pueden encontrar paños de lanilla o pelillo
variable, desde aquellos que no tienen pelillo (como la seda) hasta aquellos de pelillo
intermedio (como paño de ancho, paño de billar y lonilla) además de aquellos de pelillo
profundo (como el terciopelo). También se pueden encontrar paños sintéticos para pulir
con fines de pulido general, de los cuales el gamal y el micro paño son los que se
utilizan más ampliamente. Una muestra pulida en forma de cuadro mostrará únicamente
las inclusiones no metálicas; además, estará libre de ralladuras.
Ataque químico de la muestra
El propósito del ataque químico es hacer visibles las características estructurales del
metal o aleación. El proceso debe ser tal que queden claramente diferenciadas las partes
de la micro estructura. Esto se logra mediante un reactivo apropiado que somete a la
superficie pulida a una acción química. Los reactivos que se sutilizan consisten en
ácidos orgánicos o inorgánicos y los álcalis disueltos en alcohol, agua u otros solventes.
En la tabla que se muestra a continuación se observan los reactivos más comunes.
Las muestras pueden ahora atacarse durante el tiempo necesario sumergiéndolas boca
abajo en una solución contenida en una caja de Petri. Un método opcional consiste en
aplicar el reactivo con un gotero para ojos. Si el tiempo de ataque es demasiado corto, la
muestra quedará sub-atacada y los límites de grano y otras configuraciones se verán
desvanecidos e indistintos cuando se observen en el microscopio. Si el tiempo de ataque
Lic. Guillermo Robino 36

37. Materiales UNSAM
es demasiado largo, la muestra se sobre atacará y quedará muy obscura, mostrando
colores no usuales. El tiempo de ataque debe controlarse muy cuidadosamente.
La acción del ataque se detiene al colocar la muestra bajo una corriente de agua.
Límpiese la muestra con alcohol y utilice una secadora de pelo para terminar de secarla.
Cuídese de no frotar la muestra pulida y atacada con alguna tela o con los dedos, porque
esto altera la condición superficial del metal.
En esta práctica pudimos darnos cuenta de las características del acero que teníamos en
la probeta, debido a que fue diseñada para ser analizado mediante la metalografía
Para esto tuvimos que pulir la pieza a observar este proceso de pulido se llevo a cabo
con papel de lija primero una lija 400 después una 600 y posteriormente con un aparato
para pulir CD´s esto ultimo para poder obtener el acabado espejo necesario para realizar
la prueba adecuadamente
Una ves realizado el pulido de la pieza fuimos al laboratorio en donde pudimos aplicarle
nital a las caras de la probeta para eliminar impurezas en la pieza una ves realizado esto
procedimos a observar la probeta en un microscopio con un aumento de 100x por cierto
el máximo aumento que se puede alcanzar con los microscopios del laboratorio pero
que en este caso es suficiente para llevar a cabo la practica.
Durante la observación nos pudimos dar cuenta que los granos de las caras de la
muestra presentaban unos granos no muy pequeños o finos que al observar el tamaño de
granos de la tabla que se muestra en las paginas anteriores corresponde al tipo de grano
de la figura numeró 4, lo cual nos indica que es un acero al carbón que coincide con la
muestra que llevamos ya que se trata de un fragmento de A-36 esto nos indica que la
prueba se realizo de la manera adecuada
6. Velocidad de propagación de fisuras
En cuanto al inicio y propagación de la grieta el proceso de rotura por fatiga se
desarrolla a partir del inicio de la grieta y se continúa con su propagación y la rotura
final.
-Inicio
Las grietas que originan la rotura o fractura casi siempre nuclean sobre la superficie en
un punto donde existen concentraciones de tensión (originadas por diseño o acabados,
ver Factores).
Las cargas cíclicas pueden producir discontinuidades superficiales microscópicas a
partir de escalones producidos por deslizamiento de dislocaciones, los cuales actuarán
como concentradores de la tensión y, por tanto, como lugares de nucleación de grietas.
-Propagación
• Etapa I: una vez nucleada una grieta, entonces se propaga muy lentamente y, en
metales policristalinos, a lo largo de planos cristalográficos de tensión de
cizalladura alta; las grietas normalmente se extienden en pocos granos en esta
fase.
Lic. Guillermo Robino 37

38. Materiales UNSAM
• Etapa II: la velocidad de extensión de la grieta aumenta de manera vertiginosa y
en este punto la grieta deja de crecer en el eje del esfuerzo aplicado para
comenzar a crecer en dirección perpendicular al esfuerzo aplicado. La grieta
crece por un proceso de enrollamiento y agudizamiento de la punta a causa de
los ciclos de tensión.
-Rotura
Al mismo tiempo que la grieta aumenta en anchura, el extremo avanza por continua
deformación por cizalladura hasta que alcanza una configuración enromada. Se alcanza
una dimensión crítica de la grieta y se produce la rotura.
La región de una superficie de fractura que se formó durante la etapa II de propagación
puede caracterizarse por dos tipos de marcas, denominadas marcas de playa y estrías.
Ambas indican la posición del extremo de la grieta en diferentes instantes y tienen el
aspecto de crestas concéntricas que se expanden desde los puntos de iniciación. Las
marcas de playa son macroscópicas y pueden verse a simple vista.
Las marcas de playa y estrías no aparecen en roturas rápidas.
-Velocidad de propagación
Los resultados de los estudios de fatiga han mostrado que la vida de un componente
estructural puede relacionarse con la velocidad de crecimiento de la grieta. La velocidad
de propagación de la grieta es una función del nivel de tensión y de la amplitud de la
misma.
7. Ley de París
Ley de París relaciona el factor de la intensidad de la tensión con el crecimiento de
grieta sub-critica bajo régimen de la tensión de la fatiga. Se sabe comúnmente adentro
ciencia material y mecánicos de la fractura.
Historia y uso
La fórmula fue introducida por P.C. París en 1961. Relaciona la tarifa de crecimiento de
grieta durante la carga cíclica con la amplitud del factor de la intensidad de la tensión de
una manera que sea linear en un diagrama de registro. La ley cuantifica la vida residual
de una muestra dado un tamaño particular de la grieta. Encontrar el principio del
comienzo de la iniciación rápida de la grieta. Uno puede entonces encontrar el curso de
la vida restante usando las manipulaciones matemáticas simples.
8. Fatiga de Materiales
La fatiga de material consiste en el desgaste y posterior ruptura de un objeto construido
por el ser humano. La fatiga de material, tiene que ver más que nada, con objetos, los
cuales, soportan carga. Y nos referimos, a todos los objetos construidos por el hombre,
diseñados para soportar peso. La rama de la física que la estudia es conocida como
resistencia de materiales.
Lic. Guillermo Robino 38

39. Materiales UNSAM
Por cientos de años, la fatiga de material, no fue una preocupación para los entendidos
en la materia. Debido en gran parte, a lo lento del desarrollo productivo e industrial.
Con lo cual, las cargas a utilizar, eran bastante menores. Pero con el arribo de la
Revolución Industrial, aquel paradigma, fue derrumbándose rápidamente.
Los primeros casos de fatiga de material, que llamaron la atención, fueron las ruedas de
las locomotoras. Claro, ya que al aumentar el proceso productivo, de las industrias, su
carga era mucho mayor, a lo que acostumbraran transportar.
Y es que hay leyes infalibles, en cuanto a la fatiga de material. Si uno realiza una carga
estática, o sea, sin movimiento o contorsión, el material tenderá a resistir por más
tiempo. Ahora, si la carga fuera dinámica, o sea, en movimiento o contorsión, la fatiga
de material, se hará presente de manera más rápida.
Teoría que fue revalidada, en el caso de los ferrocarriles. Incluso se logró crear un
método de calcular el umbral de fatiga, de los distintos materiales.
El proceso por el cual, se va generando la fatiga de material, se podría señalar de la
siguiente manera. Primero en el material, se comienza a gestar una grieta. La cual en su
primera instancia es prácticamente imperceptible. Como segundo paso, tenemos que
aquella pequeña grieta, se va ampliando al resto del material. Es en diversas ocasiones,
que en éste paso, se logra detectar la fatiga de material. Con lo cual, se logran salvar
diversas vidas. Ya que de no ser así, será muy tarde. Por último y como desenlace
obvio, más bien, como la crónica de una muerte anunciada, el material se fatiga y se
rompe.
Es de esta manera, que muchas vidas se han perdido. Ya que los ingenieros a cargo del
proyecto, o realizaron mal los cálculos o el personal fiscalizador, no se percató a tiempo
de la fatiga de material. Dos etapas de contención, que no puede llegar a fallar.
La Administración de infraestructuras ferroviarias, así como cualquier otro organismo
que sea fiable para la supervisión del sistema ferroviario, es responsable de la
construcción de las infraestructuras más innovadoras, que suelen ser financiadas por el
Gobierno, así como la carga de trabajo de mantenimiento a lo largo de todo el sistema
Lic. Guillermo Robino 39

40. Materiales UNSAM
ferroviario para que estén en el estado adecuado para su utilización tanto para los trenes
convencionales como los de alta velocidad, así como los llamados "de carga" usados
fundamentalmente para servicios de transporte marítimo.
Esta tarea no puede realizarse si la Administración u organismo en cuestión no está
equipada con suficientes recursos tecnológicos para que pueda optar a certificar y
validar a sus proveedores y así dotar a la infraestructura de la calidad necesaria para un
sector tan delicado y estratégico como el ferroviario.
La multiplicación de las velocidades alcanzadas por los trenes que están en este
momento operativos ha dado lugar a una multiplicación importante de las tensiones
dinámicas que las pistas y todos los elementos de anclaje deben resistir.
Por lo tanto, la compra de cualquier material, equipo o sistema deberá ser sometido a
exigentes pruebas, que se llevan a cabo a fin de comprobar que son adecuados y para
confirmar que cumplen con todos los requisitos que se exigen.
Vía sobre placa para trenes de alta velocidad con anclajes especiales
En vista del hecho de que los componentes no son estándar y varían mucho de un
proveedor a otro, no sólo en su forma sino que además en su composición (metales,
polímeros, cerámicos y compuestos), es esencial llevar a cabo ensayos independientes
en cada uno de ellos, así como pruebas en su conjunto, a fin de asegurar que respondan
adecuadamente a todos los elementos que interactúan entre sí.
Hoy en día, el hecho de que los materiales suministrados sean sólidos y resistentes no es
suficiente, sino que también están obligados a proporcionar a los pasajeros una mayor
comodidad
Lic. Guillermo Robino 40

41. Materiales UNSAM
AVE (ICE3) “Velaro” Madrid - Barcelona
8.1 Ensayos de fatiga en soldaduras de juntas de alta velocidad en vías férreas
Hay una serie de diferencias entre soldaduras habituales y las soldaduras que se utilizan
en las vías del ferrocarril: La composición, los tipos de tensiones a que están sometidos,
los procesos de soldadura, etc.
Soldadura Aluminotermica
Estas características detalladas obligarán a realizar las pruebas mecánicas exactas para
asegurarse de que el proceso de soldadura es correcto y que las propiedades mecánicas
de la articulación son adecuadas.
Las máquinas de ensayo (materials testing equipment) que pueden aplicar cargas
Lic. Guillermo Robino 41

42. Materiales UNSAM
dinámicas (estudios de fatiga) y / o cargas estáticas (para controlar el ángulo Error de
carga) son las utilizadas para comprobar el rendimiento mecánico de las soldaduras.
8.2 Ensayos de flexión
Este tipo de prueba implica la realización de un ensayo de flexión en cuatro puntos,
aplicando una carga cíclica para comprobar el rendimiento de la soldadura en lo que se
refiere a la fatiga.
La carga se aplicará de forma sinusoidal, lo que irá desde el valor de carga máxima
hasta el 90% de ese valor.
Esta tensión se repetirá durante cinco millones de ciclos o hasta que la soldadura falle.
Si se produce el fallo, la pieza debe ser marcada y la serie a la que pertenece desechada.
8.3 Ensayos de carga cíclica
Esta es la más esencial de las pruebas realizadas. Se trata de reproducir una carga
periódica de amplitud constante, por tres millones de Ciclos, en una posición y en un
ángulo que simula la tensión real que ejerce un tren de ruedas en la línea de ferrocarril.
La magnitud de la carga y la posición del actuador (ángulo de aplicación de la carga) se
determinará a partir del valor DE rigidez dinámica vertical de la placa que indica la
línea de ferrocarril.
8.4 Ensayo realizado sobre elementos adaptables
Los materiales que se utilizan son de polímero, por las razones siguientes:
- Aislamiento: esencial para garantizar que no se produzcan interferencias.
- Confort: Tiene una absorción de alto nivel / cualidades de amortiguación.
Por lo tanto, es esencial para confirmar la validez de los beneficios de estos materiales
cuando son sometidos a tensiones altas.
8.5 Ensayos sobre elementos rígidos
La carga normal para esta prueba son 25 y 95 kN, y se aplican durante un minuto.
- Resistencia a la tracción: Buscando la deformación residual de la bobina. Una carga de
20 kN se aplicará a la vaina de forma constante. Posteriormente, la carga se incrementa
hasta un máximo de 1,1 kN por cada mm de bobina insertada. Esta carga se mantiene
durante 2 minutos antes de la liberación de la carga de hasta 20kN de nuevo. Una vez
que pasa un minuto con esta última carga, se mide la deformación. El valor de esta
deformación residual debe ser menor a 0,35 mm
- Valor de la rotura por tracción: El valor promedio debe ser mayor de 1,65 kN por mm
de bobina insertada. Primero se aplica1,1 kN por cada mm de bobina insertada. Si se
rompe la vaina, se registra el valor 1,1. Si no hay rotura de la carga se incrementa hasta
la rotura o hasta 2 mm kN.
Lic. Guillermo Robino 42

43. Materiales UNSAM
8.6 Ensayo de fatiga bajo carga lateral
Se usa un dispositivo para simular la carga lateral del ferrocarril. Esta carga lateral es
del tipo de compresión para la parte en cuestión.
Las condiciones de ensayo son las condiciones reales de funcionamiento.
8.7 El balasto
En el balasto, lo mismo que en el terreno subyacente y en general en todos los sólidos
formados por partículas aisladas, al recibir una carga por primera vez, se produce una
deformación plástica; pero si el fenómeno se reitera un número suficiente de veces, se
llega a un régimen de verdadera elasticidad semejante al de los sólidos homogéneos.
Esta elasticidad es sobre todo, sensible en sentido vertical. Así al observar una vía de
ferrocarril recién establecida, se aprecia un descenso de la misma al paso de los trenes,
que durante algún tiempo tiene el carácter de deformación permanente de amplitud
decreciente; pero transcurrido el tiempo suficiente, la deformación se hace casi elástica,
sin que se pueda apreciar, no mediando otras circunstancias, variación sensible en la
nivelación de la vía.
Vías del Ferrocarril Urquiza – Trocha 1435 mm
Esta constante elástica, establecida por Winkler y por él llamada, coeficiente de balasto,
posee valores numéricos muy variables. En las masas de piedra suelta que forman el
balasto, según su tamaño y la calidad de la plataforma, varia de 3 Kg/cm3 (gravilla
sobre terreno arcilloso) a 8 Kg/cm3 (buen balasto sobre terreno firme); para terrenos de
arena comprimida la constante elástica oscila entre 14 y 20 Kg/cm3 y llega a cifras de
40 a 60 Kg/cm3 para la arcilla compacta.
Lic. Guillermo Robino 43

44. Materiales UNSAM
Sin embargo, en la práctica se suele dar, para la relación de la rigidez, la siguiente
ecuación, que relaciona la carga por rueda y la deformación vertical de la vía.
R= Q/Y
Referencias:
Q: Carga de la rueda (Ton)
Y: Deformación vertical (m)
Cuanto mayor es el espesor o altura del balasto, tanta más elástica es la vía y además se
localiza la acción del esfuerzo de compresión en las proximidades del punto de
aplicación de la carga. Este campo de acción posee una estructura distinta en el estado
estático y en el estado dinámico, ya que lo mismo que la fatiga de los materiales, las
deformaciones elásticas de las vías producidas por las cargas móviles son mayores que
las correspondientes a las cargas fijas.
9. El Riel
Las partes de los rieles son:
• Cabeza u hongo: Parte superior, que se utiliza como elemento de rodadura.
• Alma o cuerpo: Parte de pequeño espesor que une la cabeza con el patín.
• Patín o base: Base, de anchura mayor que la cabeza, cuya superficie inferior es
plana para su apoyo en la traviesa.
9.1 Tipos
• Riel ligero: Es aquél cuyo peso no excede de los 40 kg por metro lineal. Se usa
en líneas por las que circulan trenes sin excesivo peso o que transportan cargas
ligeras, y cuya velocidad no es alta. Por ejemplo, en los ferrocarriles mineros o
los tranvías.
• Riel pesado: Su peso oscila entre los 40 y los 60 kg por metro lineal. Se utilizan
cuando aumentan los requerimientos de velocidad, seguridad y carga máxima a
Lic. Guillermo Robino 44

45. Materiales UNSAM
transportar. Principalmente se emplea en ferrocarriles de mercancías o pasajeros
y metropolitanos, así como líneas de alta velocidad.
9.2 Requisitos que debe cumplir la vía
• Resistir directamente las tensiones que recibe del material rodante y
transmitirlas, a su vez, a los otros elementos que componen la estructura de la
vía.
• Realizar el guiado de las ruedas en su movimiento.
• Servir de conductor de la corriente eléctrica para la señalización y la tracción en
las líneas electrificadas por tercer riel como las líneas Mitre, Sarmiento, Urquiza
y línea B del Subterráneo de Buenos Aires.
9.3 Cualidades buscadas en los rieles
• La superficie de rodadura debe ser lo más lisa posible para reducir la fricción,
pero a la vez, posea rugosidad para mejorar la adherencia rueda carril.
• Características geométricas deben encontrarse dentro del intervalo que delimita
una calzada de buena calidad, con elevada rigidez, pero debe absorber la energía
en forma de deformación elástica.
• Su peso es deseable para tener elevadas cargas por eje, velocidades y para
mantener la seguridad, pero el coste aumenta, aunque también se reducen costes
de mantenimiento, mayor duración y menor resistencia al avance de las ruedas.
Se suele usar la fórmula de Shajunianz para buscar el peso óptimo del carril.
9.4 Características necesarias del perfil
• La cabeza del raíl debe tener un ancho y altura suficiente según las cargas y la
pestaña. El contacto en la rodadura no debe ser puntual, repartiendo los
esfuerzos para evitar desgastes, para lo que la inclinación de la cabeza es de
1/20, compromiso entre la circulación en recta y en curva.
• El espesor del alma del raíl debe transmitir las solicitaciones de la cabeza hacia
el patín, teniendo en cuenta la corrosión y las solicitaciones transversales.
• La anchura del patín da la rigidez para una repartición correcta de la carga sin
volteo del raíl, siendo la relación altura-anchura óptima entre 1,1 y 1,2. La
relación espesor/ancho del patín debe ser inferior a 0,075, y el espesor exterior
superior a 11 mm para evitar enfriamientos irregulares en caso de soldadura.
• Además, también se requiere un equilibrio térmico entre cabeza y patín para
evitar deformaciones o tensiones residuales después de la laminación o
soldadura. Esto se logra con una relación cabeza-patín 1:1. También se buscan
radios de acuerdo grandes (sin perjudicar el comportamiento de servicio) para
evitar concentraciones de tensiones en la laminación del rail, lo que asegura
asimismo una mejor expansión y más regular de la llama de precalentado en las
soldaduras. El radio de aristas exteriores será mayor o igual a 3 mm y su ancho
inferior a 160 mm por razones de laminación.
9.5 Dureza y materiales
En cuanto a la dureza de los rieles, debe coincidir con la de las ruedas, siendo la dureza
interna 341HB o superior. Esta dureza depende del tratamiento superficial (estructura
Lic. Guillermo Robino 45

46. Materiales UNSAM
microperlítica) y de los compuestos del acero de los raíles, que son: el hierro, carbono,
silicio, azufre, fósforo, arsénico y otros minerales e impurezas.
Tabla de materiales de los rieles
Porcentaje de material Fabricados en Europa Fabricados en América
% de carbono 0,4 - 0,57 mayor a 0,57
% de manganeso 0,8 - 1,2 menor a 0,8
% de silicio 0,1 - 0,25 0,1 - 0,25
% de fósforo máximo admisible 0,06 máximo admisible 0,06
% de azufre máximo admisible 0,06 máximo admisible 0,06
Dureza del riel
Dureza Brinell, HB
Tipo de riel Mínimo Máximo
Rieles normales 300 -
Rieles de alta resistencia 341 388
Fluencia en los aceros usuales en los carriles
Concepto Normal Alta resistencia
Límite de fluencia, kg/cm2 mínimo 4920 7730
Límite de ruptura a la tracción, kg/cm2 mínimo 9840 11950
Alargamiento en 50 mm, % mínimo 9 10
Lic. Guillermo Robino 46

47. Materiales UNSAM
9.6 Desgaste y deformación de rieles
Como todo material, los rieles también se van desgastando según el uso que se les hace
a través del tiempo, éstos se desgastan en la parte superior, la cabeza, que es la que hace
contacto con las ruedas del ferrocarril. Para que el riel siga cumpliendo con su función y
no haya problemas de seguridad, existe un valor de desgaste máximo que es permitido,
el cual es de 3/8” (10 mm.).
Desgaste de cabeza:
Desgaste lateral de la cabeza del riel: Es el desgaste de la superficie lateral de la
cabeza del riel, medido transversalmente a una distancia de la superficie de apoyo del
riel igual a la altura del riel nuevo disminuida en 16 mm.
Desgaste vertical de la cabeza del riel: Es el desgaste de la superficie de rodado del
riel, medido en su eje vertical.
Desgaste ondulatorio de la cabeza del riel: Desgaste discontinuo de la superficie de
rodado del riel que se caracteriza por una sucesión alternada de zonas altas brillantes y
zonas bajas (baches) oscuras.
Encalladuras: Cavidades de poca profundidad que se forman en la superficie de rodado
de los rieles por desprendimiento del material autotemplado a causa del patinaje de las
ruedas de los vehículos ferroviarios.
Otro daño que sufren los rieles es la desalineación de éstos, los cuales serían :
• Desalineación horizontal
Lic. Guillermo Robino 47

48. Materiales UNSAM
• Desalineación vertical: doblez hacia zapata.
• Desalineación vertical: doblez hacia cabeza.
Medición del desgaste de la cabeza de rieles y medición de la deformación horizontal.
Para poder determinar el desgaste de los rieles se utilizan ciertos materiales haciendo
una respectiva medición de desgaste:
• Uso calibre rielero
• Medición del desgaste vertical de la cabeza en el extremo del riel.
Lic. Guillermo Robino 48

49. Materiales UNSAM
• Medición de las deformaciones en rieles de vía.
9.7 Defecto en los rieles
Algunos de los defectos que se encuentran en los rieles son:
• Fisura transversal.
• Fisura compuesta.
• Fractura superficial.
• Encalladura.
• Defecto en la soldadura.
• Grieta horizontal en la cabeza.
• Grieta vertical en la cabeza.
• Grieta en el alma.
• Entubadura de riel.
• Separación cabeza - riel.
• Grieta próxima al agujero del perno.
Lic. Guillermo Robino 49

50. Materiales UNSAM
• Zapata quebrada.
• Quebradura ordinaria.
• Riel dañado.
Tales rieles que presenten algunos de estos defectos deberán ser retirados de la vía.
9.8 Cambio de rieles
En el extranjero se cambian rieles más o menos cada 10 años, pero en Chile, el cambio
de rieles no se hace tan frecuente. Las vías actuales están formadas por rieles más bien
viejos, alrededor de la década del 60.
Lo que se hace en Chile para mantener los rieles en buen estado es repararlos, es decir,
durante ya varias décadas no se han comprado rieles nuevos en Chile sino que se van
reutilizando.
Ferrocarriles del Estado (EFE) tiene una planta donde se reparan los rieles en forma
horizontal y vertical.
Lo que se hace es sacar el riel que está dañado o desgastado de la vía y se lleva a la
planta. En este lugar se van perfilando, se limpian, lo sueldan y se dejan barras de 100
m. de longitud y luego se sueldan en terreno.
Reacondicionamiento de rieles: Es el proceso a que se someten los rieles para dejarlos
aptos para su utilización en vías férreas.
9.9 Juntura de rieles
¿Por qué los rieles de la línea de tren tienen una pequeña separación?
Esto es debido a los cambios de volumen que sufren los rieles, lo cual se refiere a los
cambios que sufre la materia en relación al espacio que ocupan.
Los cambios de volumen son dos: contracción y dilatación.
Contracción es la disminución de volumen que sufre el riel al enfriarse. La contracción
se entiende porque al enfriarse los cuerpos, las partículas están más cercanas unas de
otras, disminuye su movimiento y como consecuencia disminuye su volumen.
Dilatación es el aumento de volumen de los rieles que ocurre debido a las altas
temperaturas, por lo cual es necesario dejar esta pequeña abertura (juntura) a lo largo de
los rieles que conforman la vía férrea.
En vías clisadas convencionales, cada riel debe estar apernado con al menos 2 o 3
pernos en cada juntura.
En vías soldadas continuas, cada riel debe estar apernado en al menos 2 pernos.
Lic. Guillermo Robino 50

51. Materiales UNSAM
10. Peraltes
Cuando en la vía se presenta una curva, los rieles deberán ir peraltados, éste puede
llegar hasta 200 mm. dependiendo del radio de la curva, de la velocidad permitida en la
vía, del ancho que se le va a dar a la trocha para que pueda girar. El peralte se debe
iniciar antes de la curva y después de ella produciéndose un enlace de peralte.
En la curvatura las vías deben ir ensanchándose levemente para que el carro pueda
doblar sin ningún problema, ya que al ser las partes de éste rígidas, al querer doblar
nunca van a quedar perfectamente alineados. Se tiene que a un menor radio hay un
mayor ensanche, por ejemplo para una curva de 600 m. de radio el ensanche es de
6mm., para una curva menor de 250 m. el ensanche alcanza hasta los 25mm.
En Chile, el riel exterior en una curva no puede ser más bajo que el riel interior o tener
más de 100 mm. de peralte.
Acordamiento:
Los desarrollos de curvas requieren además un tramo de enlace que se denomine
acordamiento o rampla. Los radios mínimos en líneas de primer orden es mínimo 400
m., solo en casos especiales se usan hasta 250 m. Los radios mínimos en líneas de
segundo orden van de 300 m., pudiendo bajarse a 200 m. en casos especiales. El
acordamiento debe tener una longitud no inferior a 400 veces el valor del peralte de la
curva.
11. Pernos Rieleros
Los rieles y las eclisas van unidos mediante pernos rieleros, hay de diferentes tipos,
algunos son:
• Tirafondos:
El cual se usa para la fijación de los rieles y otros elementos de la vía férrea.
Este debe ir recubierto con aceite.
Lic. Guillermo Robino 51

52. Materiales UNSAM
• Clavo Rielero Ferrocarriles:
El cual se usa para la fijación de los rieles y otros elementos de la vía férrea.
Este debe ir recubierto con aceite.
• Clavo Rielero Tipo Americano:
El cual se usa para la fijación de los rieles y otros elementos de la vía férrea.
Este debe ir recubierto con aceite.
• Perno Rielero Cuello Ovalado:
El cual se usa para la fijación de los rieles y otros elementos de la vía férrea.
Este debe ir recubierto con aceite.
• Tuercas Bulldog:
El cual se usa para la fijación de los rieles y otros elementos de la vía férrea.
Este debe ir recubierto con aceite. Una de las características de estas tuercas es que se
ensamblan con torque predeterminado impidiendo que se suelte del perno por las
vibraciones.
Lic. Guillermo Robino 52

53. Materiales UNSAM
• Perno KZ:
El cual se usa para la fijación de los rieles y otros elementos de la vía férrea.
Este debe ir recubierto con aceite.
• Vástago de Anclaje:
El cual se usa de anclaje de fijación del riel.
(En la línea 1 del metro se usaron aproximadamente 1.500.000 de piezas).
Actualmente, se ha dejado de lado el ferrocarril y hay poca preocupación por el
mantenimiento de toda su infraestructura, las vías férreas chilenas no están en buen
estado, salvo algunos tramos (Valparaíso - Limache; Santiago - San Francisco de
Mostazal), esto porque por dos décadas no hubo interés en mantener Ferrocarriles del
Estado.
Pero el ferrocarril en Chile aún está vigente y es necesario invertir en recuperarlo,
porque es difícil pensar que Chile dependa solo de sus carreteras y no tenga vías
alternativas en caso de que estas fallen, el más claro ejemplo fue el paro de los
camioneros que paralizo el país, muy distinto hubiese sido todo con un sistema
ferroviario en óptimas condiciones, que si bien no puede transportar toda la carga y los
pasajeros del país por un motivo de capacidad si hubiese ayudado mas
significativamente al país. Hay que invertir en ferrocarriles y su infraestructura.
• Sujeción elástica de clip:
La sujeción del riel es realizada por una barra de acero, de elevada elasticidad y sección
circular, plegada de tal modo que su deformación en el montaje de la sujeción
proporciona una fuerza elástica. Esta pieza es denominada "clip", a la que se añade el
soporte. Esta sujeción no requiere regulación, manteniendo siempre el mismo apriete.
Varios tipos de sujeción de clip son el "e-clip" de Pandrol, el Fastclip (tipo ajustar y
olvidar), el tipo Vossloh, otros tipos. Las características del tipo Vossloh son:
• a. Puede usarse en durmientes de madera, metálicos u hormigón.
Lic. Guillermo Robino 53

54. Materiales UNSAM
• b. Utiliza una silla de asiento metálica nervada, de forma que permita el
alojamiento de la zapata del riel, cuya posición queda asegurada con ayuda de
los clips elásticos SKL-12, que trabajan a flexión y torsión combinadas.
• c. Los clips están sujetos a los durmientes con un tirafondo, el que les da la
tensión necesaria, y entre el riel y la silla se coloca una placa elástica.
• d. Siendo la tensión regulable, debe ser inspeccionada y reapretada regularmente
"e-clip" de Pandrol
Sistema Fastclip
Sistema tipo Vossloh
Lic. Guillermo Robino 54

55. Materiales UNSAM
12. Análisis de Fallas
El comportamiento de los materiales metálicos en régimen estático es ampliamente
conocido y la totalidad de las propiedades necesarias para el diseño están perfectamente
caracterizadas (por ejemplo: esfuerzos de fluencia, resistencia a la ruptura, elongación,
módulo de Elasticidad, etc.). Desde el punto de vista de diseño estático es suficiente con
estos datos de partida para realizar proyectos, ya que se conocen las características de
los materiales. Sin embargo, cuando una pieza se somete a esfuerzos variables por
efecto de que las fuerzas actuantes lo hagan, o por movimientos de la propia pieza, tanto
los procedimientos de diseño estático como las propiedades estáticas del material
pierden su valor, debido a que las piezas fallan por haber sufrido un determinado
número de ciclos de trabajo. En general, las fallas se producen muy por debajo de los
esfuerzos que se pueden considerar aceptables en diseño estático y de forma repentina,
sin sufrir ninguna deformación que advierta acerca del fallo del material.
Este fenómeno por el cual los materiales pierden resistencia cuando están sometidos a
ciclos de esfuerzos variables en el tiempo, se denomina, "Fatiga". Esta ocurre porque
hay deformaciones plásticas cíclicas que provocan cambios irreversibles en la
dislocación de la micro estructura de los materiales.
12.1 Análisis de la falla de un riel de ferrocarril
Este caso trato de una falla por fractura en una sección transversal de un riel de
ferrocarril, donde se evalúo el papel que dentro de la falla jugó el material. Una falla de
este tipo tiene un alto peligro potencial, ya que puede provocar el descarrilamiento de
un tren de carga y/o de pasajeros, por ello sociedades de ingenieros, especializadas
como la AREMA (American Railway Engineering and Maintenance of way
Association), recomiendan realizar inspecciones periódicas sobre las líneas, para
detectar en la etapa de propagación estable a las gritas de fatiga y así proceder a la
reparación o reemplazo del tramo del riel.
12.2 Descripción del riel
Un riel de ferrocarril es una viga en I, que tiene la misión de guiar el movimiento de las
locomotoras y sus vagones, para lo cual debe soportar los esfuerzos que sobre el
imprimen las ruedas metálicas de estos vehículos; A su vez el riel transmite las cargas
al piso a través de unas traviesas fabricadas en madera, sobre las cuales los rieles actúan
como vigas. La rueda se apoya sobre el riel y este a su vez se fija a las traviesas a través
de clavos y bridas. (Figura 36.1)
Lic. Guillermo Robino 55

56. Materiales UNSAM
A continuación se grafica las fuerzas actuantes sobre el riel por una rueda del tren.
Según la siguiente imagen (Figura 36.2)
Figura 36.2
La grafica que se expone a continuación expresa las cargas aplicadas y reacciones de los
durmientes o traviesas sobre el riel, en condición critica.
Según la siguiente imagen. (Figura 36.3)
Lic. Guillermo Robino 56

57. Materiales UNSAM
Figura 36.3
12.3 Condiciones de carga y solicitación de esfuerzos
Debido a una pequeña pendiente que posee el riel, en contacto con la rueda y a la
presencia de la pestaña en la misma, sobre el riel cada una de las ruedas aplica una carga
total inclinada, que se puede descomponer en una fuerza vertical y una horizontal
(figura 36.2).
La condición crítica de la aplicación de la carga se encuentra cuando dos ruedas de
locomotora o vagón pasan en la sección determinada entre dos durmientes.
En la próxima grafica observamos las fuerzas y momentos que se manifiestan en las
secciones sobre y entre los durmientes.
Figura 36.4
En la figura de abajo se muestran los esfuerzos de tracción en la base o patín del riel. El
esfuerzo normal de tensión se presenta en forma longitudinal a la base del riel.
Como se muestra en la Figura 36.5 a continuación.
Lic. Guillermo Robino 57

58. Materiales UNSAM
Figura 36.5
La sección de riel que se ubica entre dos durmientes consecutivos, en la cual las
flexiones vertical y horizontal producen esfuerzos de tracción en la parte inferior del riel
(base o patín), cada vez que pasa una rueda.
Teniendo en cuenta como ya se mencionó, que estas cargas alcanzan su máximo valor
cada vez que las ruedas se encuentran ubicadas en estas secciones críticas.
La imagen que continúa muestra una superficie en corte de un riel, son una fractura
transversal.
Se puede distinguir la zona de crecimiento estable de la grieta y la zona inestable.
También el inicio de fatiga en la cabeza y base del riel.
Lic. Guillermo Robino 58

59. Materiales UNSAM
13. Fractografia del riel
La fractura trasversal encontrada al observarla claramente que se trata de una originada
por fatiga.
El la figura que sigue (Figura 36.6) se muestran fotografías de una de las superficies de
la fractura transversal, donde se pude ver la zona de crecimiento estable de grieta
indicando su origen subsuperficial, con las marcas radiales que la señalan y las marcas
de playa, además se muestran las marcas radiales presentes en la zona de crecimiento
inestable de grieta.
Para observar las superficies de la grieta longitudinal de la base fue necesario abrir esta
por medio mecánico. Una vez realizada la operación anterior se mostró que la grieta
mostraba signos de crecimiento progresivo, es decir, que fue originada por fatiga,
Figura 36.6 - Grieta abierta por medio mecánico. Fotografía de la grieta longitudinal de
la base del riel.
13.1 Microestructura del riel
Para conocer la microestructura del riel se realizo metalografía tanto en la cabeza como
en la base del riel, encontrándose en ambos casos, que la estructura es 100% Perlitica,
con presencia de una importante cantidad de sulfuros, otras inclusiones y cavidades,
Figura 36.7, al tomar lecturas de dureza en varios puntos tanto en la cabeza como en la
base de la sección cortada, se encontró un valor promedio de la misma de 35 RC.
Ya que se noto en la metalografía la presencia de una gran cantidad de sulfuros y otras
discontinuidades, se decidió observar sin ataque la sección para establecer la densidad
de los mismos. En la Figura 36.8 se muestran micrografías sin ataque de la cabeza del
riel, de la base y de zonas cercanas a la grieta longitudinal.
Lic. Guillermo Robino 59

60. Materiales UNSAM
En la Figura 36.8 se pude notar como a nivel superficial de la cabeza del riel, además de
una alta crecencia de sulfuros (puntos oscuros de pequeño diámetro), existe una
importante cantidad de cavidades de gran tamaño (regiones oscuras grandes), las cuales
se constituyen en discontinuidades de material, que pueden actuar como núcleos de
grietas de fatiga, en la micrografías de la base del riel de la figura aunque no hay una
presencia tan alta de cavidades como en la cabeza, si se nota que la presencia de
sulfuros sigue siendo alta, cerca de la grieta longitudinal de la base la densidad de
sulfuros es muy alta, lo cual indica que esta grieta se origino y propago en la región de
la base donde se encontraba la mayor cantidad de discontinuidades. Como una prueba
adicional de esta ultima afirmación, se tomaron lecturas de microdureza en la base,
obteniéndose para este caso un promedio de 358 unidades de dureza KNOOP (50 Kg.)
Figura 36.7 – Observación de microestructura de riel 800X
Respecto a la fractura transversal se concluyo lo siguiente:
La fractura se origino por fatiga. Para explicar la naturaleza sub-superficial de las
grietas originales, basta con observar la Figura 36.8 en la cual se puede ver la variedad
de discontinuidades que pueden nuclear las grietas de fatiga, ante los esfuerzos de
tracción y los cortantes. De acuerdo con todo lo anterior se tienen las siguientes
conclusiones relevantes:
“Tanto la fractura transversal como la grieta longitudinal, fueron originadas por fatiga
y existe una alta probabilidad de que la grieta longitudinal halla antecedido a la
fractura transversal.”
El concepto del origen de la falla del riel es el siguiente:
“La causa mas probable de falla es la de un deficiente proceso de control de calidad
del material del riel por parte de la siderúrgica, que se tradujo en un alto contenido de
cavidades y sulfuros que nuclearon la grieta de fatiga longitudinal y la grieta de fatiga
transversal que desemboco en fractura total.”
Lic. Guillermo Robino 60

61. Materiales UNSAM
Recomendaciones:
A la empresa que encargó el ensayo se le recomendó:
Figura 36.8 – Micrografías de inclusiones y cavidades presentes en la cabeza, la base y
cerca de la grieta longitudinal (sección transversal). 100X.
Realizar una inspección cuidadosa en los tramos del riel de ferrocarril en operación que
pertenecen a la misma colada del material de la pieza estudiada, ya que estos es muy
probable que tengan el mismo nivel de discontinuidades. Para identificar estos tramos
peligrosos se puede revisar la normalización, que sobre la identificación de rieles de
ferrocarril, posee la AREMA. Se deben revisar los procedimientos y equipos empleados
en la inspección de las líneas, ya que en el caso de la fractura transversal la grieta
original debería haberse detectado en la etapa de propagación estable, durante las
inspecciones rutinarias recomendadas por normas internacionales.
Lic. Guillermo Robino 61