Metalurgia aplicadaInstituto Tcnicode la Estructuraen AceroI T E A3 NDICE DEL TOMO 3METALURGIA APLICADALeccin 3.1: Caractersticas de las Aleaciones de Hierro y Carbono. 11 INTRODUCCIN.............................................................................................. 41.1 Por qu es importante la metalurgia para el ingeniero civil y de la construccin metlica............................................................... 41.2 Contenido de las lecciones del grupo 3.............................................. 42 ESTRUCTURA Y COMPONENTES DEL ACERO.......................................... 52.1 Introduccin............................................................................................ 52.2 Componentes del acero......................................................................... 52.3 La estructura cristalina.......................................................................... 73 FASES DE HIERRO Y CARBONO.................................................................. 93.1 Influencia de la temperatura sobre la estructura cristalina............... 93.2 Solucin de carbono en cristales cmc y ccc ...................................... 93.3 Nomenclatura.......................................................................................... 103.4 El diagrama hierro y carbono ............................................................... 114 RITMO DE ENFRIAMIENTO............................................................................ 134.1 ndice de enfriamiento durante la transformacin de austenita en ferrita y tamao de grano................................................................. 134.2 Aceros de enfriamiento lento................................................................ 134.2.1 Influencia del carbono sobre la microestructura.................... 134.2.2 La necesidad de controlar el tamao de grano ...................... 154.2.3 Control del tamao de grano mediante normalizacin.......... 164.2.4 Cambios estructurales unidos a la laminacin en caliente de aceros................................................................. 164.3 Aceros de enfriamiento rpido ............................................................. 184.3.1 Formacin de martensita y bainita........................................... 18 INDICE4.3.2 Martensita en estructuras soldadas......................................... 194.3.3 Bonificacin................................................................................ 204.3.4 Control de la formacin de martensita .................................... 215 INCLUSIONES ................................................................................................. 235.1 Azufre, fsforo y otras impurezas........................................................ 235.2 Manganeso en aceros para estructuras .............................................. 246 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 267 BIBLIOGRAFA................................................................................................ 268 BIBLIOGRAFA ADICIONAL........................................................................... 26Leccin 3.2: Procesos de Fabricacin y Conformado.......................... 271 TECNOLOGA DE FABRICACIN DEL ACERO............................................ 301.1 Introduccin............................................................................................ 301.2 Fabricacin del acero ............................................................................ 311.2.1 El mtodo del convertidor bsico de oxgeno de horno alto 311.2.2 El mtodo del horno de arco elctrico (figura 4) .................... 331.3 Fabricacin de acero en cuchara (afino) ............................................. 341.3.1 Aspectos generales ................................................................... 341.3.2 Proceso de fabricacin de acero en cuchara: desoxidacin y afino (figura 5) ......................................................................... 351.4 Colada y solidificacin .......................................................................... 361.4.1 Aspectos generales ................................................................... 361.4.2 Tecnologas de colada............................................................... 361.4.2.1Colada en lingotera (figura 6) ...................................... 361.4.2.2Colada contnua (figura 7)............................................ 372 TECNOLOGA DE CONFORMADO Y TRATAMIENTOS TRMICOS............ 392.1 Introduccin............................................................................................ 392.2 Laminado en caliente............................................................................. 392.2.1 Descripcin de la operacin de laminado............................... 392.2.2 Laminacin primaria .................................................................. 402.2.3 Laminacin de acabado............................................................. 412.2.4 Procesos de laminado en caliente ........................................... 43II3 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 474 BIBLIOGRAFA ADICIONAL........................................................................... 47Leccin 3.3.1: Introduccin a las Propiedades Fsicas de los Aceros ................................................................... 491 INTRODUCCIN.............................................................................................. 521.1 Naturaleza de los metales ..................................................................... 521.2 Propiedades sensibles e insensibles a la estructura......................... 522 RESISTENCIA.................................................................................................. 532.1 Dislocaciones y deformacin plstica ................................................. 532.2 Diagrama tensin-deformacin para probetas de tensin simple.... 542.3 Respuesta multiaxial.............................................................................. 572.3.1 Coeficiente de Poisson.............................................................. 572.3.2 Estados de tensiones multiaxiales y su influenciasobre la fluencia......................................................................... 582.3.3 Endurecimiento por deformacin en fro bajo tensiones multiaxiales................................................................................. 582.4 Influencia de la temperatura y del grado de deformacin................. 582.4.1 Temperatura................................................................................ 592.4.2 Grado de deformacin............................................................... 592.5 Medios de incremento de la resistencia.............................................. 602.6 Dureza ..................................................................................................... 623 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 634 BIBLIOGRAFA ADICIONAL........................................................................... 63APNDICE ............................................................................................................ 65Leccin 3.3.2: Propiedades Mecnicas de los Aceros ......................... 691 TENACIDAD..................................................................................................... 721.1 Tipos de rotura ....................................................................................... 721.2 Influencia de la temperatura, la velocidad de carga, la multiaxialidad y la geometra............................................................ 731.3 Ensayo de flexin por choque sobre probeta entallada .................... 74IIINDICE1.4 Tenacidad a la rotura ............................................................................. 751.5 Adecuacin al uso destinado ............................................................... 781.5.1 Ensayo de placa ancha.............................................................. 781.5.2 Conceptos de mecnica de rotura ........................................... 792 COMBINACIN PTIMA DE RESISTENCIA Y TENACIDAD........................ 823 PROPIEDADES DE FATIGA............................................................................ 843.1 Fatiga de inicio controlado ................................................................... 843.1.1 Ensayo......................................................................................... 843.1.2 Dao por fatiga........................................................................... 853.1.3 Influencia de diversos parmetros........................................... 853.1.4 Lmite de fatiga en condiciones de servicio reales................ 863.1.5 Prediccin del dao acumulativo ............................................. 863.2 Fatiga de propagacin controlada........................................................ 864 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 885 BIBLIOGRAFA ADICIONAL........................................................................... 88APNDICE ............................................................................................................ 89Leccin 3.4: Calidades y Tipos de acero ............................................... 931 INTRODUCCIN.............................................................................................. 962 DEFINICIN DE ACERO................................................................................. 973 CLASIFICACIN DE LOS TIPOS DE ACERO ............................................... 983.1 Clasificacin segn la composicin qumica ..................................... 983.2 Clasificacin segn clases de calidad................................................. 984 NORMAS DE CALIDAD DESTINADAS A ACEROS PARA ESTRUCTURAS.................................................................................... 994.1 Consideraciones generales .................................................................. 994.2 Puntos principales ................................................................................. 994.2.1 Proceso de fabricacin del acero............................................. 994.2.2 Estados de suministro............................................................... 994.2.3 Composicin qumica ................................................................ 1004.2.4 Propiedades mecnicas ............................................................ 1004.2.4.1Propiedades de traccin .............................................. 1004.2.4.2Propiedades de resiliencia (ensayo de choque) ........ 1004.2.4.3Direccin de la toma de muestras............................... 100IV4.2.5 Propiedades tecnolgicas......................................................... 1004.2.5.1Soldabilidad................................................................... 1014.2.5.2Conformabilidad............................................................ 1014.2.6 Acabado superficial ................................................................... 1024.2.7 Inspeccin y ensayo .................................................................. 1024.2.8 Marcado....................................................................................... 1025 TIPOS DE ACERO PARA ESTRUCTURAS.................................................... 1035.1 Productos laminados en caliente de aceros no aleados para aplicaciones estructurales generales conforme a EN 10 025 [4] . 1035.1.1 Descripcin general ................................................................... 1035.1.2 Designacin de los aceros........................................................ 1035.1.3 Tipos de acero............................................................................ 1035.2 Productos laminados en caliente de aceros soldablesde grano fino conforme a EN 10 113 [5] .............................................. 1045.2.1 Descripcin general ................................................................... 1045.2.2 Estados de entrega .................................................................... 1045.2.3 Clasificacin de calidades......................................................... 1045.2.4 Designacin................................................................................ 1055.2.5 Calidades y tipos de acero........................................................ 1055.3 Aceros para estructuras destinados a aplicaciones en plataformas petrolferas ................................................................... 1055.4 Tipos de acero con propiedades frente al desgarro laminar ............ 1075.4.1 Descripcin general ................................................................... 1075.4.2 Calidades con propiedades frente al desgarro laminar ......... 1075.5 Acero resistente a la corrosin atmosfrica conforme a EN 10 155 [6] ...................................................................... 1085.5.1 Descripcin general ................................................................... 1085.5.2 Resistencia a la corrosin......................................................... 1085.5.3 Tipos de acero............................................................................ 1095.5.4 Soldadura.................................................................................... 1105.6 Tipos de acero para galvanizacin por inmersin en caliente.......... 1106 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 1117 BIBLIOGRAFA................................................................................................ 111APNDICE 1: Calidades y tipos de acero ......................................................... 113APNDICE 2: Definicin y clasificacin de los tipos de acero conforme a EN 10 020................................................................................... 117VNDICEAPNDICE 3: Definiciones relativas al tratamiento termomecnico del acero ....................................................................................... 121APNDICE 4: Comparacin de la composicin qumica (anlisis sobre colada) de tipos de acero para estructuras, suponiendo un lmite elstico de 355N/mm2.................................................. 125Leccin 3.5: Seleccin de la calidad del acero ..................................... 1291 INTRODUCCIN............................................................................................. 1322 EL FENMENO DE LA FRACTURA FRGIL............................................... 1333 CONCEPTOS DE MECNICA DE ROTURA Y PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO.................................................................................................... 1354 METODOLOGA PARA LA SELECCIN DEL ACERO................................. 1384.1 El mtodo francs.................................................................................. 1384.2 El mtodo britnico................................................................................ 1394.3 El mtodo belga ..................................................................................... 1395 METODOLOGA ADOPTADA EN EUROCDIGO 3...................................... 1416 ACTUAL CATEGORA DE LAS REGLAS DEL EUROCDIGO 3 ................ 1437 COMPARACIN DE LAS ESPECIFICACIONES DERIVADAS DE DIVERSOS MTODOS............................................................................. 1448 DEBATE .......................................................................................................... 1489 COMENTARIO DE LAS ACTUALES REGLAS DEL EUROCDIGO 3 ........ 14910 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 15011 BIBLIOGRAFA............................................................................................... 151TABLAS................................................................................................................. 152Leccin 3.6: Soldabilidad de los Aceros para Estructuras.................. 1771 INTRODUCCIN.............................................................................................. 1801.1 Breve descripcin del proceso de soldadura ..................................... 1801.2 Principales procesos de soldadura...................................................... 1801.3 Diseo y preparacin de la unin soldada.......................................... 1811.4 Efectos del ciclo trmico de la soldadura sobre la microestructura.... 1831.5 Tensiones residuales y distorsin de soldadura................................ 1841.6 Atenuacin de tensiones residuales.................................................... 185VI2 SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS PARA ESTRUCTURAS......................... 1862.1 Introduccin............................................................................................ 1862.2 Fisuracin por solidificacin del metal de aportacin....................... 1862.3 Fisuracin de la zona afectada por el calor (HAZ) ............................. 1872.3.1 Fisuracin por licuacin (fusin lquida, quemado) ........... 1872.3.2 Fisuracin inducida por hidrgeno.......................................... 1882.4 Desgarro laminar.................................................................................... 1912.5 Fisuracin por recalentamiento............................................................ 1923 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 1944 BIBLIOGRAFA................................................................................................ 194DIAPOSITIVAS COMPLEMENTARIAS ........................................................... 195VIINDICE ESDEP TOMO 3METALURGIA APLICADALeccin 3.1: Caractersticas de las Aleaciones de Hierro y Carbono 1 3 OBJETIVOS/CONTENIDOOBJETIVOS/CONTENIDOPresentaraspectosimportantesdelametalurgia del acero, necesarios para compren-der sus propiedades fsicas.CONOCIMIENTOS PREVIOSNinguno.LECCIONES AFINESLeccin 3.2: ProcesosdeFabricacinyConformadoLeccin 3.3.1: Introduccin alas PropiedadesFsicas de los AcerosLeccin 3.3.2: PropiedadesMecnicasdelos AcerosLeccin 3.4: Calidades y Tipos de AceroLeccin 3.6: SoldabilidaddelosAcerospara EstructurasRESUMENLa leccin comienza exponiendo la nece-sidadquetieneelingenierocivilodelacons-truccinmetlicadeposeerunconocimientobsico de la metalurgia del acero. A continuacinse describe la naturaleza cristalina de los hierrosyaceros,juntoconlainfluenciadeltamaodelgranoydelacomposicinsobrelaspropieda-des.Seexponelacapacidadquepresentaelacerodetenermsdeunaestructuracristalina(su alotropa) y las propiedades de las principa-les formas cristalinas de las aleaciones de hierroy carbono. Se revisan la metalurgia y propiedades delosacerosdeenfriamientolento,incluyendolainfluencia del tamao del grano, la laminacin, elposteriortratamientotrmicoylaformaydistri-bucin de las inclusiones. Los aceros de enfria-miento rpido se tratan aparte; a una breve des-cripcindeltempleydelrevenidolesiguelaexposicin de la influencia de la soldadura sobreel historial trmico local. Se exponen brevemen-te la templabilidad, la soldabilidad y el control dela fisuracin. Por ltimo se subraya la importan-cia del manganeso como elemento de aleacin.41. INTRODUCCIN1.1 Por qu es importante lametalurgia para el ingenierocivil y de la construccinmetlica? Laspropiedadesfsicasdelacero,comosonsuresistencia,ductilidadyresistenciaalafractura frgil, dependen de su estructura crista-lina, del tamao del grano y de otras caracters-ticas metalrgicas. Estaspropiedadesdelamicroestructuradependen de la composicin qumica y del histo-rialdedeformacintrmicadelacero.Tambinlos tratamientos trmicos derivados de la solda-dura pueden tener una gran influencia sobre laspropiedades fsicas. Alahoradeescogerelaceroparaestructurassoldadasesimportanteposeeralmenosunconocimientobsicodemetalurgia,sobretodocuandoseproyectanestructurasgrandes y complejas como puentes, estructurasde plataformas petrolferas y edificios de variospisos. Laseleccindematerialesydeprocedi-mientosymaterialesdesoldaduraexigeamenudo la consulta a los autnticos metalrgi-cosyespecialistasenlamateria.Paracomuni-carse con ellos el conocimiento bsico de meta-lurgia resulta esencial.Porltimo,esteconocimientobsicodemetalurgia permite al ingeniero civil y de la cons-truccinmetlicacomprendermejorlaspropie-dadesfsicasdelaceroyelrendimientodelasestructuras soldadas. 1.2 Contenido de las lecciones del grupo 3 La leccin 3.1 se ocupa de las caracters-ticasdelasaleacionesdehierroycarbono.Siemprequeseaposibleseestablecenrelacio-nes directas con las propiedades fsicas y la sol-dabilidaddelacero,temasquesetratanenlasLecciones 3.2 y 3.6 respectivamente. La Leccin 3.3 describe la fabricacin delacero y su conformacin en chapas y perfiles. Sepresentan los diversos procedimientos de controldelacomposicinqumicaylosdistintostrata-mientosdedeformacintrmica.Seaplicanlamayora de los principios fundamentales descri-tos en la Leccin 3.1. Existen varios tipos y calidades de acero.El tipo se refiere a las propiedades de resisten-cia(lmiteelsticoyresistenciaalarotura),mientrasquelacalidadserelacionaprincipal-mente con la resistencia a la fractura frgil. En laLeccin 3.4 se explican los tipos y calidades. Sepresentaunsistemaparalaeleccindelacali-dadadecuada,conformealEurocdigoo3(AnexoC)[1]yseofrecenalgunasdirectricespara la seleccin del tipo de acero. 5ESTRUCTURA Y COMPONENTES2. ESTRUCTURA Y COMPONENTES DEL ACERO2.1 IntroduccinParahacerseunaideadelaestructurametalrgicadelacero,puedecortarseunfrag-mentodebarradeaceroparadejaraldescu-biertounaseccinlongitudinal,amolandoypuliendo la superficie expuesta para examinarlacon el microscopio. Con pocos aumentos se ven algunas par-tculas extendidas en el sentido de laminacin delabarra.Verdiapositiva1.Estaspartculassoninclusiones. Se trata de sustancias no metlicasquehanquedadodentrodelmetaldurantesufabricacin, generalmente por accidente, pero aveces porque as se ha proyectado. Su presen-cia no afecta a la resistencia pero tiene un efec-toperjudicialsobrelaductilidadylatenacidad.Algunostiposdeinclusionespuedenmejorarconsiderablemente la maquinabilidad de los ace-ros,porloquepuedenintroducirsedeformadeliberada. Para descubrir la verdadera estructura delmetal debe atacarse qumicamente la superficiepulida.Cuandosehaceestopuedeverseunagrandiversidaddemicroestructurasquereflejalacomposicinyprocesamientodelacero.Verdiapositivas 2, 3, 4 y 5.Comosedescribeenlasseccionespos-teriores de esta leccin, la microestructura influ-yedeformasignificativasobrelaspropiedadesdel acero.2.2 Componentes del aceroLosacerosyfundicionessonaleacionesde hierro (Fe) y carbono (C) junto con varios ele-mentos ms, algunos de los cuales son impure-zasinevitablesmientrasqueotrosseaadendeliberadamente. Elcarbonoeselqueejerceunamayorinfluenciasobrelamicroestructuraylaspropie-dadesdelmaterial.Losacerossuelenteneruncontenido en carbono inferior al 1% en peso. Losaceros para estructuras contienen menos de unDiapositiva 1Diapositiva 2Diapositiva 360,25%decarbono:elotroele-mentoprincipaldelaaleacines el manganeso, que se aadeencantidadesdehastaalrede-dordel1,5%.Otroselementosdelaaleacinsoncromo(Cr),nquel (Ni), molibdeno (Mo) etc.Elementostalescomoelazufre(S),fsforo(P),nitrgeno(N)ehidrgeno(H)suelentenerunefectoperjudicialsobrelaspro-piedadesfsicas,porloquedurantelafabricacindelacerosetomanmedidasparareducirsucontenido.Lasfundicionescontienen por lo general alrede-dordeun4%decarbono.Estealtocontenidoencarbonohaceque su microestructura y propie-dadesmecnicasseanmuydiferentes de las de los aceros. Cadaunadelasmicroes-tructuras representadas en las dis-positivas 2, 3, 4 y 5 es un ensam-blajedecomponentesmenores.Porejemplo,elacerode0,2%Cde la dispositiva 2 es fundamental-menteuncompuestodegranospequeos,polidricos,enestecaso con un tamao < 20 m. Unanlisismsprofundodeunodeestos granos lo muestra como uncristalindividual.Sinembargo,adiferencia de los cristales de cuar-Figura 1 Apariencia de superficies policristalinasDiapositiva 4 Diapositiva 5zo, silicona o sulfato de cobre, los cristales de hierro(Fe) son blandos y dctiles. Ms adelante se expo-ne la estructura interna de estos cristales. El acero de la diapositiva 2 es un ejemplo desustanciapolicristalinaquesehahechovisiblemedianteelpulidoyelataquesegnseilustraen la figura 1. (a) Lasuperficieestpulidaperonohasido atacada.(b) Lasuperficieestpulidayatacada.Las distintas reflexiones de la luz indi-can la diferente orientacin de los cris-tales (estructura policristalina).(c) Algunosreactivosparaataquesloafectan a los contornos de los granos.Se utilizan cuando es necesario anali-zarelgrano,porejemploparahaceruna estimacin de su tamao. (d) Aspectodeloscontornosdelgranoatacados de la figura 1c. (e) Aspecto de un acero con un 0,15% decarbono (ampliacin 100x). Las zonasoscuras son perlita. Los contornos delgrano aparecen claramente indicados.Laszonasoscurasindicanlapresen-cia de carbono. El ajuste del historial de laminacin y tra-tamiento trmico sufrido por el acero durante sufabricacinpermitemodificareltamaodelgrano.Esunatcnicatil,pueseltamaodelgrano influye sobre las propiedades. En particu-lar,ellmiteelsticovienedeterminadoporeltamaodelgrano,deacuerdoconlallamadaecuacin de Petch:y=o+ kd-1/2dondeyes el lmite elsticooesenefectoellmiteelsticodeuncristalaisladomuygrande:paraelacero dulce es 50 N/mm2d es el tamao del grano en mmk esunaconstantedelmaterial,quepara el acero dulce es de alrededor de20 N/mm-3/2As, si el tamao del grano es 0.01 mm, y 250 N/mm2.2.3 La estructura cristalinaLa estructura interna de los granos crista-linosestcompuestadetomosdehierrodis-puestosconformeaunpatrnregulartridimen-sional. Este patrn se representa en la figura 2.Setratadelaestructuracristalinacbicademallascentradas;lostomosseencuentranenlas esquinas y en el centro del cubo. La malla es7ESTRUCTURA Y COMPONENTESFigura 2 Cristal cbico de malla centrada: celda unitariade solo 0,28 mm en sus aristas. Un grano tpicosecomponedealrededorde1015repeticionesde esta malla.Esta estructura cristalina del acero a tem-peratura ambiente es uno de los factores princi-pales que determinan la metalurgia y las propie-dades de los aceros. Losaceroscontienencarbono,partedel cual, en cantidad muy pequea, est con-tenidodentrodeloscristalesdehierro.Lostomos de carbono son muy pequeos y pue-den adaptarse, con cierta distorsin, entre losespacios mayores existentes entre los tomosde hierro. Esta disposicin conforma lo que seconocecomounasolucinslidaintersticial:el carbono se sita en los intersticios del cris-tal de hierro. En los aceros de las dispositivas 2, 3 y 4,la mayor parte del carbono residual ha formadouncompuestoqumicoconelhierro,Fe3C,cementita.Lacementitaestambincristalina,perodurayfrgil.Con0,1%C,solohayunapequea cantidad de Fe3C en el acero. Las pro-piedadesdeesteacerosonsimilaresalasdelhierro puro1)[2]. Es dctil, pero no especialmen-teresistente;seutilizaenmuchasaplicacionesenlasquelacapacidaddeconformadoporfle-xin o plegado es la exigencia principal.En el caso de un acero de mayor contenidoencarbono,digamos0,4%,segnserepresentaenladiapositiva5,puedeobservarseconpocosaumentos que est compuesto por regiones clarasyoscuras,aproximadamenteal50:50.Lasregio-nes claras son cristales de hierro con un conteni-do muy pequeo de carbono disuelto, como en elacero de bajo contenido en carbono. Las regionesoscurasrequierenunexamenmsprofundo.Ladiapositiva 6 muestra una de esas regiones con unaumentomayor.Seapreciasucomposicindecapasalternasdedossustancias,hierroyFe3C.La separacin de las lminas a menudo se aproxi-ma a la longitud de onda de la luz y, como conse-cuenciadeello,laestructuraatacadapuedeactuar como un enrejado de difraccin, ofreciendounosefectospticossemejantesaunairisacinnacarada. Por eso esta mezcla de hierro y cemen-tita ha recibido el nombre de perlita. El origen delaperlitaysuefectosobrelaspropiedadesdelacero se revelan al analizar lo que ocurre duranteel calentamiento y enfriamiento del acero. 8Diapositiva 61Hierro puro: y= 40-200 Nmm-2, u= 180-285 Nmm-2, A = 30-60%3. FASES DE HIERRO Y CARBONO3.1 Influencia de la temperaturasobre la estructura cristalinaLaestructuracristalinacambiaconelaumento de temperatura. Con el hierro puro estecambio se produce a los 910 C. Los cristales cbi-cosdemallascentradas(cmc)delafigura2seconviertenencristalescbicosdecarascentra-das (ccc), segn se ilustran en la figura 3. En loscristalesccc,lostomosdehierroestnenlasesquinas del cubo y en el centro de cada cara delcubo. La posicin de mallas centradas est vaca. Unciertonmerodetomosocupanunvolumen ligeramente menor cuando se disponencomocristalescccquecuandolohacencomocristales cmc. As pues, el cambio de estructuracristalina va acompaado de un cambio de volu-men,cambioqueseilustraenlafigura4.Cuandosecalientaunapiezadehierropurotienelugarunadilatacinnormalhastaquesealcanza una temperatura de 910C. A esta tem-peratura se produce una contraccin gradual decercadeun1/2%delvolumen,asociadaalatransformacindelaestructuracristalinacmcalaccc.Ladilatacintrmicacontinaalprose-guirelcalentamientohastaque,a1400C,laestructuracccretornaalaformacmcysepro-duceunadilatacingradualquerecuperaelvolumen perdido a 910C. El calentamiento msallde1400Cproduceunadilatacintrmicahastaquetienelugarlafusina1540C.Lacurva es reversible enfriando lentamente. La propiedad por la cual los metales pue-den tener diferentes estructuras metlicas, en fun-cin de la temperatura, se denomina alotropa. 3.2 Solucin de carbono en crista-les cmc y cccCuando los tomos de dos materiales A yB tienen ms o menos el mismo tamao puedenformarse estructuras cristalinas all donde ciertonmero de tomos A son sustituidos por tomosB. Esta solucin se denomina de sustitucin, ya9FASES DE HIERRO Y CARBONOFigura 3 Cristal cbico de caras centradas: celda unitaria Figura 4 Cambios de volmen al calentar hierro puroque un tomo sustituye al otro. Un ejemplo es elnquel en acero.Cuando los tomos de dos materiales tie-nendistintotamao,elmenordeellosquizpueda colocarse entre los tomos mayores. Estaes la solucin intersticial. El ejemplo ms familiares el de la solucin de carbono en hierro. De estamanera, los cristales ccc de temperatura elevadapueden contener hasta un 2% de solucin slidade carbono a 1130C, mientras que en los crista-les cmc de baja temperatura, la mxima cantidaddecarbonoquepuedemantenerseensolucinesde0,02%a723C,ydealrededordeun0,002% a temperatura ambiente. As,porejemplo,unaceroquecontengaun 0,5% de carbono puede disolverlo todo en loscristalescccdeelevadatemperatura,peroalenfriarsenopuedemantenertodoelcarbonoensolucinenloscristalescmc.Elexcedentedecarbonoreac-cionaconelhierrodandolugaracementita (Fe3C), que es dura y frgilen comparacin al hierro puro.Lacantidaddecementitayladistribucindesuspartculasenlamicroestructuraesimportanteparalas propiedades fsicas del acero. La distribucin de la cementitadepende en gran medida de la veloci-daddeenfriamiento.Ladistribucinpuede explicarse haciendo referenciaaldiagramahierroycarbono.Verlaseccin 3.4.3.3 NomenclaturaEnmetalurgiaseemplealasiguiente nomenclatura:Ferrita o -Fe Laformacmcdelhierroenlaquepuededisolversehasta0,02%Cenpeso. Cementita Fe3C (que contiene cerca de6,67%C).Perlita Lamezclalaminardeferritaycementitadescritaante-riormente.Elcontenidoglo-bal en carbono de la mezclaes de 0,8% en peso.Austenita o -Fe Laformacccdelhierroqueexiste a elevadas temperatu-rasyquepuedecontenerhastaaproximadamente2%C en peso.AceroAleaciones con un contenidoen carbono inferior al 2% enpeso.10Figura 5 Parte del diagrama de fase hierro - carbonoFundicinAleaciones con un contenidoencarbonosuperioral2%en peso.El acero que se utiliza en estructuras talescomo puentes, edificios y barcos, suele contenerentre un 0,1% y un 0,25% de carbono en peso.3.4 El diagramahierro y carbonoEldiagramahierroycarbonoesbsica-menteunmapa.Lapartemsimportantesemuestraenlafigura5.Enlafigura6serepre-sentan ms detalles. Cualquierpuntodelcampodelgrficorepresentaunaceroconuncontenidoconcretoen carbono a una temperatura concreta. Elgrficoestdivididoenzonasquemuestranlasestructurasquesonestablesconcomposiciones y a temperaturas concretas. Elgrficopuedeutilizarseparaobservarqu ocurre cuando un acero de 0,5%C se enfraa partir de 1000C (figura 6).A1000Claestructuraesaustenita,esdecir, cristales ccc policristalinos con la totalidaddelcarbonodisueltoenellos.Duranteelenfria-miento no se produce ningn cambio hasta queno se alcanza una temperatura cercana a 800C.AestatemperaturasecruzaellmitedesdeelcampoetiquetadoAustenita()aletiquetadoFerrita + Austenita ( + ), es decir, que a partirdelhierroccccomienzanaformarsealgunoscristalesdehierrocmc,conuncontenidomuypequeoencarbono.Puestoquelaferritacon-tiene tan poco carbono, el carbono restante debeconcentrarseenlaaustenitaresi-dual. El contenido en carbono de laaustenitaylasproporcionesrelati-vasdeferritayaustenitaenlamicroestructura,seajustanporsmismas para mantener el contenidode carbono global original.Estascantidadessepuedencalcular observando la parte amplia-dadeldiagramahierroycarbonoque muestra la figura 7. Imaginemosque el acero se ha enfriado a 750C.La combinacin de contenido globaldecarbonoytemperaturaestrepresentada por el punto X. Todos los componentes de laestructura estn a la misma tempe-ratura.AtravsdeXsepuedetra-zarunalneadetemperaturacons-tantequecortaloslmitesdelcampodeaustenitayferritaenFyA. Estas intersecciones dan los con-tenidos en carbono de la ferrita y laaustenitarespectivamente,aunatemperatura concreta. Si imaginamos ahora la lneaFA como una viga rgida giratoria en11FASES DE HIERRO Y CARBONOFigura 6 Diagrama de la fase hierro-carbono torno a un punto de apoyo en X, el peso de laaustenitaquecuelgaenAdebecompensarelpeso de ferrita que cuelga en F. Es la llamadaregla de la palanca:Peso de ferrita FX = Peso de austenita AXLaproporcindeferritarespectodelaaustenita en la microestructura viene dada por:As,conformeelacerosevaenfriandoaumentalaproporcindeferritayelcontenidoen carbono de la austenita residual, hasta que elenfriamiento alcanza los 723C. A esta tempera-turaelcontenidoencarbonodelaaustenitaesde0,8%,yyanoadmitems.Elenfriamientojusto por debajo de esta temperatura hace que laaustenita se descomponga en la mezcla laminardeferritayFe3Canteriormenteidentificadacomo perlita. Las proporciones de ferrita y perlita en lamicroestructura,digamosa722C,sonvirtual-mente las mismas que las de ferrita y austenitainmediatamenteantesdeladescomposicina723C.As,haciendoreferenciaalafigura7yempleando la regla de la palanca:Peso de ferrita FX = Peso de perlita FPEnestecaso,tendraquehaberaproxi-madamente el doble de perlita que de ferrita. Con otros aceros que contienenmenosde0,8%Claexplicacinesidntica, salvo en lo que respecta a lasproporciones de perlita en la microes-tructurapordebajode723C.Varamsomenosdeformalinealconelcontenidoencarbono,entrecerocon0,02%Cy100%con0,8%.Unacerodulcetpicoconuncontenidode0,2%Ccontendraalrededordeun25% de perlita. En los aceros que contienen unporcentajedecarbonosuperioral0,8%, al enfriarse a partir de tempera-turas elevadas la estructura es entera-menteaustentica.Elprimercambioque se produce es la formacin de par-tculas de Fe3C a partir de la austeni-ta. Este cambio reduce el contenido encarbonodelaaustenitaresidual.Conel enfriamiento ulterior, el contenido encarbonodelaaustenitasiguelalneadel lmite entre el campo y el campo + Fe3C. Una vez ms, al alcanzar los723Celcontenidoencarbonodelaaustenitaesdel0,8%.Alproseguirelenfriamiento,sedescomponecomoantes en perlita. Por lo tanto, la micro-estructura final consiste en unas pocaspartculasdeFe3Cintercaladasenuna masa de perlita. Ver figura 6.Ferrite %Austenite %AXFX12Figura 7 Ilustracin de la regla de palancaFerritaAustenita4. RITMO DE ENFRIAMIENTO4.1 Indice de enfriamiento durante la transformacin de austenita en ferrita y tamao de granoDuranteelenfriamientodelaaustenitacomienzanacrecerdesdemuchospuntoslosnuevoscristalescmcdeferrita.Elnmerodepuntosdearranquedeterminaelnmerodegranosdeferrita,yportantoeltamaodegrano. El tamao de grano es importante, puesdeldependenlaspropiedadesfsicas.Losgranos pequeos resultan favorables. El nme-rodepuntosdearranquepuedeaumentarseaadiendoelementoscomoaluminioyniobio.Otrofactorimportanteeselritmodeenfria-miento. Si es lento, los nuevos granos de ferri-tasedesarrollannicamenteapartirdeunospocospuntosmuyfavorables.Conritmosdeenfriamiento elevados el nmero de puntos dearranque ser mucho mayor, y el tamao de losgranos menor. Las diapositivas 7, 8 y 9 mues-tranaceroscondiversostamaosdelgrano,producidosadiferentestemperaturasdelami-nacin de acabado. Otrofactorimportanteloconstituyeelhecho de que cuando un acero de grano fino secalientaaunatemperaturasuperioraunos1000C, algunos de los granos de austenita cre-cen mientras los granos contiguos desaparecen.Este crecimiento del grano tiene lugar durante lasoldaduraenlallamadazonaafectadaporelcalor(HAZ,heataffectedzone).Setratadeunazonade3-5mmdeanchurasituadaenlachapa adyacente al metal fundido. Los cambiosmicroestructuralesacaecidosenlazonaafecta-da por el calor suelen dar lugar a un deterioro delas propiedades fsicas del acero. 4.2 Aceros de enfriamiento lento4.2.1 Influencia del carbono sobrela microestructuraEldiagramadeconstitucinhierroycar-bonodelasfiguras5y6muestraque,enlosaceros para estructuras (entre 0,1% y 0,25% decarbono),laformacindeferritacomienzaaunos 850C y finaliza a 723C. Se recordar quelaferritaapenaspuedecontenercarbono.Porconsiguiente,lafaseaustenticasetransforma13RITMO DE ENFRIAMIENTODiapositiva 7Diapositiva 8Diapositiva 9en ferrita y cementita (Fe3C).Cuandoelritmodeenfriamientoeslento, los tomos de carbono tienen tiempodemigrarseparandocapasenlamicro-estructurayformandolaestructuradeno-minadaperlita,segnsemostrantesenlas diapositivas 2, 3, 4 y 5. La ferrita de estamezclaesblandaydctil.Elcomponentecementita es duro y frgil. La mezcla (per-lita)poseepropiedadesentreestosdosextremos.Laspropiedadesderesistenciaalatraccindeunaceroquecontieneferritayperlita tienen un valor ms o menos confor-me a las proporciones de estos componen-tes en la microestructura, como se ve en la figura8. La figura 9 muestra el efecto sorprenden-tequeelcontenidoencarbonotienesobrelatenacidad. El aumento del conteni-doenperlitadisminuyelatenaci-daddelacapasuperioreincre-menta la temperatura de transicinde dctil a frgil. Lasfiguras8y9muestranuna de las dificultades a la hora deelegirelcontenidoencarbono.Elaumentodesteesbeneficiosoporque mejora el lmite elstico y laresistencia a la rotura por traccin,peroesperjudicialenlamedidaquereducelaductilidadytenaci-dad.Asimismo,uncontenidoele-vadoencarbonopuedecausarproblemasenlasoldadura.Verseccin 4.3. EnlaNormaEuropea10025, Tabla 3, [3] se da la compo-sicin qumica de productos planosy largos. En la figura 10 se presen-taunextracto.Porejemplo,ladesignacin S235 JR indica que ellmite elstico es 235 N/mm2comomnimo.Sehadehacerhincapienquelosvaloresrelativosalacomposicinreflejadosenlatablasonmximos.Muchosfabricantesde aceros consiguen niveles mucho14Figura 8 Efectos del contenido de carbono en el contenido de perlita y pro-piedades del ensayo de traccin de aceros normalizadosFigura 9 Efecto del contenido de carbono en la transicin de dctil a fr-gil en los aceros normalizados (Rinebolt & Harris, 1951)menores, obteniendo una mejor ductilidad, resis-tencia a la fractura frgil y soldabilidad. El menor contenido en carbono quepuedeconseguirsefcilmenteagranescalaesdealrededorde0,04%.Estecontenidoeselcaractersticodelascha-pas finas o aceros en banda, destinados aunaconformacinpordeformacinexten-siva en fro, como en la embuticin. Los contenidos en carbono superio-res al 0,25% se emplean en el campo msampliodelosacerosindustrialesgenera-les. Se trata de aceros utilizados en esta-do bonificado (ver ms adelante) para unamultiplicidad de aplicaciones de ingenieramecnica. Los pernos de gran resistenciadestinados a algunas aplicaciones estruc-turales seran tambin de este tipo.4.2.2 La necesidad de controlar el tamao de granoLaspropiedadesmec-nicasdelacerosevenafecta-das por el tamao de grano. Lasdiapositivas8y9representanlasmicroestructurasdedosmuestrasdelmismolotedeacero dulce, que han sido trata-dasparaobtenerdiferentestamaos de grano mediante losmtodosesbozadosenlasec-cin4.2.3.Lareduccindeltamao de grano mejora el lmi-teelstico,perotienetambinunprofundoefectosobrelatemperaturadetransicindc-til/frgil.Verfigura11.As,unamisma carga de la microestruc-tura proporciona diversos bene-ficios;algodesacostumbradoenmetalurgia,dondelosajus-tes realizados para mejorar unapropiedadamenudosignificanelempeoramientodeotra,porloquesehacenecesariouncompromiso. Un ejemplo de este compromiso serefiere al contenido en carbono, ya tratado ante-riormente. 15RITMO DE ENFRIAMIENTOFigura 10 Extracto de la Tabla 3 de EN 10025 Figura 11 Efecto del tamao de grano de ferrita en la temperatura detransicin dctil/frgil del acero dulce (0,11%) (Petch, 1959)dctil y frgil4.2.3 Control del tamao de granomediante normalizacinEn la seccin 4.2.1 se describen las trans-formacionesquepuedenproducirsecuandolosacerosseenfranlentamente.Lostomosdecarbonodelacerodebencambiardeposicinpara formar ferrita y perlita a partir de la austeni-ta. Los procesos de difusin que transportan lostomos dentro del slido tienen lugar a velocida-des que dependen exponencialmente de la tem-peratura. Tambin el ritmo de enfriamiento influ-ye sobre estas transformaciones. Si se incrementa el ritmo de enfriamiento lastransformacionesseproducenmsrpidamente.Adems, los procesos de difusin no pueden man-tener el ritmo de la temperatura en descenso. As,un acero enfriado muy lentamente en el horno semantiene prximo a las exigencias del diagrama deconstitucin. Sin embargo, el mismo acero retiradodelhornoyenfriadoalairepuedesobreenfriarseantes de completar su secuencia de transformacio-nes. Este enfriamiento ms rpido tiene dos efec-tos: en primer lugar tiende a aumentar ligeramentela proporcin de perlita en la microestructura;yensegundolugar,produceferritadeuntamao del grano ms fino y perlita con lami-nillastambinmsfinas.Amboscambiosmicroestructuralesofrecenunlmiteelsticomselevadoyunaductilidadytenacidadmejores.Los aceros enfriados en el horno seconocen como aceros completamente reco-cidos. Los aceros enfriados al aire se cono-cen como aceros normalizados. El tamao de grano puede verse tam-bin afectado por la temperatura a la que seenfraelaceroenlafaseaustentica.Losgranosdeaustenitasehacenmsgruesosconeltiempo,yelritmodeesteprocesoaumenta exponencialmente con la tempera-tura.Elhechodequelosgranossehaganms gruesos es importante, porque la trans-formacinenferritayperlitaduranteelenfriamiento comienza en los contornos delgrano de la austenita. Si las nuevas estruc-turasempiezanacrecerapartirdepuntosmuy separados en una austenita de grano grueso,el tamao de grano de la ferrita resultante ser lmismomsgrueso.As,losacerosnodeberansobrecalentarsealefectuarselaaustenitizacinantes de normalizar. La temperatura a la que se calienta el aceroantes de enfriarlo al aire se conoce habitualmentecomotemperaturadenormalizacin.Lasexigen-cias expuestas en el ltimo prrafo significan que latemperatura debiera ser lo ms baja posible mien-tras la estructura es una fase austentica nica. Enel diagrama de constitucin de la figura 5 se obser-va que la temperatura de normalizacin disminuyea medida que el contenido en carbono aumenta decero a 0,8%. Tendra que situarse en la banda raya-da de la figura 12. 4.2.4 Cambios estructurales unidos a la laminacin en caliente de acerosLos perfiles de aceros para estructuras seproducenmediantelingotesdelaminacinen16Figura 12 Extracto del diagrama de la fase hierro-carbonocalienteohileradematerialcoladadeformacontinua,dndoseleslaformarequerida.Losprocesosdelaminacintienenunefectoimpor-tante sobre el desarrollo de la microestructura delos materiales. Las etapas tempranas de la laminacin sellevanacaboatemperaturasenteramenteden-tro de la fase austentica, en la que el acero estblandoysedeformaconfacilidad.Ladeforma-cinsufridaporelmaterialrompelaestructuradegranogruesorecinfundida,peroaestastemperaturaselevadaslostomosdelmaterialsepuedendifundirrpidamente,loquepermitealosgranosdeformadosrecristalizarseyrefor-marlaestructurapolicristalinaequiaxialdelaaustenita.Unadeformacinintensaabajastempe-raturasenlafaseaustenticadalugaragranosrecristalizadosmsfinos.Silalaminacinseconcluye a una temperatura justo por encima dela regin ferrita + austenita del diagrama de equi-librio, y se deja enfriar el perfil al aire, se obtieneunamicroestructuranormalizadacorrienteconunaferritadegranomoderadamentefino.Lasmodernastcnicasdecontroldelalaminacinbuscan este resultado, o incluso una laminacina temperaturas todava ms bajas para dar lugara granos aun ms finos. Cuandolatemperaturacaedemaneraque la laminacin se concluye en la fase ferrita +austenita, la mezcla de ferrita y austenita se alar-ga en el sentido de la laminacin y se desarrollauna estructura a modo de capas. Si entonces seenfraalaireelperfil,laaustenitaresidualsedescomponeenferritayperlitadegranofino,presentndose esta ltima en el material a modode bandas con forma de cigarro alargado, comoen la diapositiva 10. Los aceros para estructurasno se ven perjudicados por microestructuras deeste tipo. Cuandolatemperaturadelaminacindeacabadosiguecayendo,hastapordebajode723C, el diagrama de equilibrio muestra que laestructuraseraunamezcladeferritayperlita.La laminacin en esta fase se suele restringir alos aceros de bajo contenido en carbono, menosde0,15%C,yaquelapresenciadeperlitadifi-culta la laminacin. Cuando la temperatura es superior a unos650C, los granos de ferrita vuelven a cristalizar-se al deformarse, como ocurra con la austenita.Lasvarillasdecarburo(Fe3C)delaperlitaserompen y dan origen a cintas de pequeas par-tculas de carburo que se extienden en el senti-do de la laminacin. Ver diapositiva 11. La ferritaprocedentedelaperlitasehaceindistinguibledel resto. Cuandolalaminacinsellevaacaboatemperaturaambientelaperlitasedescompo-nedeigualmanera,perolaferritanopuedevolver a cristalizarse. Endurece por acritud, esdecir, que aumentan el lmite elstico y la resis-tencia a la rotura por traccin del acero, mien-tras que la ductilidad disminuye. Ver figura 13.17RITMO DE ENFRIAMIENTODiapositiva 10Diapositiva 11Conformecontinalalaminacinenfroaumentalafuerzanecesariaparaproseguirladeformacin,debidoallmiteelsticoenaumento.Adems,elacerosehacemenosdctilypuedeempezararesquebrajarse.Lacantidad de laminacin en fro que puede rea-lizarse es por tanto mucho menor que la que sepuede conseguir cuando el acero est caliente. Porsupuesto,noesnecesarioaplicaruntrabajoenfrodurantelalaminacin.Cualquiermodo de deformacin del material opera un endu-recimientoporacritud.Porejemplo,elcabledeacero de alta resistencia se hace mediante estira-do en fro, dando lugar a grandes deformaciones.Otro ejemplo: un tipo de barra de refuerzo se hacetorciendolaseccincuadradaparaproducirunaseccin helicoidal. La deformacin en fro que deesta forma se produce no es grande, pero causaun notable endurecimiento por acritud.Pararecuperarlaductilidadyalmismotiemporeducirelestadodeendurecimientoporacrituddelmaterial,esnecesarioreformarlaestructura policristalina isotrpica de la ferrita. Elrecalentamientoatemperaturasdeentreunos650Cy723Cpermitelarecristalizacindelaferrita. Este tratamiento no afecta a las partculasde carburo.As pues, existe otra tcnica para controlarel tamao de grano del acero. Cuanto mayor es elgradodedeformacinantesdeltratamientoderecristalizacinymenorlatemperaturadelmismo,msfinoeseltamaofinaldegrano.Dado que este tipo de tratamiento no conlleva laformacinydescomposicindeaustenita,seconoce como recocido por debajo del punto crti-co. La microestructura resultante posee una duc-tilidadycaractersticasdeembuticinbuenas.Laschapasfinasdebajocontenidoencarbono( u).Enlamayoradelosmetalessedaunatransicingradualdelcomportamientoelsticoalplsticoyesnecesariodefinirunatensindeensayo, generalmente Rp0,1o Rp0,2, con el fin dedeterminar el comienzo de la fluencia. Son tensio-nes a las que se obtiene un alargamiento perma-nente de 0,1 0,2% de la distancia entre puntosde medida inicial. Algunosmetalesyacerosespecialmentedulcespresentanunadiscontinuidadentrelosregmeneselsticoyplstico,conunlmitedefluenciamarcadoseguidodeunbreveperododedeformacinplsticairregular(figura6).Elfenmeno de la fluencia est descrito por: la tensin mxima de fluencia ReHal iniciarsela fluencia. latensinmnimadefluenciaReL,queeselvalor de tensin durante la propagacin de lasbandas de Lder. ladeformacindeLderLd(cerca del 1-2% paraaceros dulces).Larazndeestecomportamientoesquelasdislocacionesquedansuje-tasportomosdecarbonoy/onitrgenodisueltosdeforma intersticial. Estas dislo-caciones deben ser liberadasporlatensinmximadefluencia,traslocualpuedencontinuarmovindosealatensinmnimadefluencia.Esteprocesonotienelugardeunamanerauniformeentodalaprobeta.Unasmar-cas, conocidas como bandasde Lder, que sealan zonasplsticamentedeformadas,noo oL LLLL55RESISTENCIAFigura 5 Curvatensindeformacindeunmetal,ej.Acerodealtaresistencia,contransicin continua de deformacin elstica a plstica aparecen a 45respecto del sentido de la carga yse extienden por toda la distancia entre puntos parala medida del alargamiento de la probeta. Dentro del alargamiento uniforme, solo esposibleunadeformacinplsticaulteriormedianteunacargaenconstanteaumento.Ladensidaddedislocacinaumentaconformeseincrementa la deformacin, dificultando una ulte-rior deformacin debido a la interaccin entre lasdislocaciones.Esteefectoseconocecomoendurecimientopordeformacinenfrooporacritud.Elgradodeendurecimientopordefor-macinenfro(d /d)esalprincipioelevadoperodisminuyeconformeaumentaladeforma-cin plstica. Enlatercerazonaladeformacindelaprobetacontinaestrechndose,aunqueestoocurre ahora localmente, con el cuello resultanteque muestra la figura 7. LatensinalaquecomienzaelestrechamientoeslaresistenciaalaroturaportraccinRm= Fmax/So,siendolacorrespondientedeformacinladeformacinlmiteu.Acontinuacindeiniciarse el estrechamiento, lacarga necesaria para mante-nerelalargamientodisminu-yeaunquelatensinlocaldentrodelazonadeestre-chamientosigueaumentan-do. La deformacin continua-daconducealarotura,determinadaporelesfuerzode rotura fy la deformacinderoturar.Lareduccinporcentualdelreaenelmomento de la rotura Z = 100 (So Su)/Soesunamedidadelaductilidaddelmaterial,donde Sues el rea mnima de la seccin trans-versal en el momento de la rotura en la zona deestrechamiento.Para el diagrama tensin-deformacin te-ricatantolatensincomoladeformacinestnreferidas a las dimensiones iniciales de la probe-ta (So, Lo). Dado que la seccin transversal y lalongitud cambian continuamente durante la defor-macin, estas ecuaciones no ofrecen una indica-cinrealdelhistorialdetensinydeformacin.Paraunamejordescripcindelaspropiedadesdelmaterialhadetenerseencuentaelcambiodelreadelaseccintransversal.Latensinydeformacin reales se definen como sigue:(4)donde S es el rea de la seccin transversal ins-tantnea.(5) tLLoudLLLLparao lntFS56 Figura 7 Probeta de tensin en momento de fracturaFigura 6 Curvatensin-deformacindeunmetal,ej.acerodulce,conlmitedefluencia Considerandoquelaplasticidadtienelugarencondicionesdevolumenconstante,puedededucirselarelacinentrelatensinydeformacin reales y tericas en la zona de alar-gamiento uniforme:(6)(7)Enlazonadeestrechamientodebemedirse la seccin transversal instantnea de laprobetaparaobtenerlatensinydeformacinreales. La deformacin real (figura 8) es:(8)Paradeterminarlatensinrealsehadetener en cuenta un factor de correccin km, debi-doalestadodetensionesmultiaxialresultantedel estrechamiento.Lafigura9muestraeldiagramaten-sin-deformacin ingenieril (1) y el correspon-dientediagramatensin-deformacinrealesteniendo(2)ynoteniendoencuenta(3)elestado de tensiones multiaxial. Ntese que ladeformacinrealsehacemayorquelateri-ca debido al estrechamiento, y que el endure-cimientopordeformacinenfroessiemprepositivo. 2.3 Respuesta multiaxial2.3.1 Coeficiente de PoissonEnlaseccinanteriorsehaexpuestolarespuestalongitudinaldeunaprobetadetraccin simple. Si se hubieranhechotambinmedicionesdeladeformacintransversal( trans)sehabracomprobadoque la probeta se estrechaba amedida que se extenda. En lazonaelsticatrans= ,donde,llamadocoeficientede Poisson, tiene un valor de aproximadamente0,3.Estoimplicaqueelvolumendelmaterialelsticamente deformado est aumentando por-que . En la zona pls-tica, con deformaciones mucho mayores, el volu-men del material no cambia de forma significati-vaytrans_~0,5,loqueimplicaqueelcoefi-cientedePoissontieneunvalorde0,5.Enlazona de estrechamiento es conforme se aproxidVVtrans 2 0 4 , torn SSpara 1 0 t n + ln( ) 1 t n n + ( ) 157RESISTENCIAFigura 8 Grfica doble logartmica de verdadera tensin contra verdadera defor-macinFigura 9 Curva tensin-deformacin (1) y correspondien-te curva de verdadera tensin verdadera defor-macin sin (2) y con (3) correccin con respec-to al estado de tensin multiaxialmalaroturacuandoesteestadodevolumenconstantequedailustradoconmayorclaridad.Las deformaciones localmente ms elevadas vanacompaadasdegrandesdeformacionestrans-versales que producen el estrechamiento local.2.3.2 Estados de tensiones multiaxiales y su influenciasobre la fluenciaEn muchas situaciones tericas existen ten-siones en ms de una direccin. La figura 10 mues-tra algunos ejemplos. La direccin y la magnitud delas tensiones influye sobre el inicio de la fluencia.En la compresin triaxial equilibrada que se repre-senta en la figura 10a no es posible la fluencia delmaterial,porquenotienedondeirhastaquenose produzca una rotura en la estructura atmica delos cristales a varias rdenes de magnitud de ten-sin por encima de la tensin de fluencia uniaxial.En el esfuerzo bidimensional a cortante puro de lafigura10b,latendenciaaexpandirseenladirec-cin x, originado por la tensin de traccin 1, esimpedida por la tensin 2en la direccin y, y vice-versa.Sehandesarrolladodiferentesfrmulasmatemticas para describir esta fluencia interactiva,y se comprueba que diferentes formulaciones sonms adecuadas para diferentes materiales. La figu-ra11ailustralosdoscriteriosmscomunesparalos metales en estado de tensin bidimensional. Lafrmula Hencky-Von Mises, utilizada generalmenteparaelaceroytensionestridimensionales,vienedada por:donde 1, 2y 3son las tres tensiones principales.2.3.3 Endurecimiento por deformacin en fro bajo tensiones multiaxialesLafigura11bmuestraelmodelomscomn de endurecimiento por acritud en presenciade tensiones multiaxiales. Tal como se representa,enelendurecimientoporacritudisotrpico lasuperficie de fluencia se expande uniformemente. 2.4 Influencia de la temperatura y del grado de deformacinLamayoradelasestructurasingenierilesfuncionan a temperatura ambiente y estn someti-das a cargas lo suficientemente lentas como paranoafectaralarespuestadeunmodoinmediato.Sin embargo, pueden producirse temperaturas ele-vadas o bien de servicio (instalaciones de calderas)oporaccidente(incendios).Losimpactosyotrascargas accidentales pueden conducir a grados dedeformacin cuya influencia no se puede ignorar. y ( ) + ( ) + ( ){ 121 222 3 3 21 2 /58Figura 10 Ejemplo de tensiones multiaxiales 2.4.1 Temperatura Latemperaturacrecientefavorece el movimiento de las dislo-caciones.Comoresultadodeellosereducentantoellmiteelsticocomo la resistencia mxima. En losacerosparaestructuraslaprdidaderesistenciaespequeahastaaproximadamentelos300C.Despus existe una prdida progre-sivaderesistenciaconformeaumentalatemperatura.A600Csedaunareduccincaractersticadelaresistenciadel50%conres-pectoalaexistenteatemperaturaambiente.Enlosacerosparaestructu-raslatermofluencia(creep),esdecir,ladeformacinenaumentobajo tensiones constantes, puede notenerseencuentaatemperaturaambiente.Sinembargo,atempera-turassuperioresa500C,ladefor-macindetermofluenciaesyaimportante.Lafigura12ilustralainfluencia de las temperaturas eleva-dastantosobrelarigidezcomosobre la resistencia. 2.4.2 Grado de deformacinElmovimientodedislocacinesunprocesodependientedeltiem-po.Poresoescomprensiblequeunoselevadosgradosdedeforma-cindificultenlafluencia,locualsereflejaenunatensindefluenciaaumentada. El modelo ms aceptadopara comprobar los efectos del gradodedeformacineslafrmulaCowper-Symondsqueseindicaabajo.Enlafigura13seilustralaimportanciaqueesteefectotienesobre el comportamiento de tensin ydeformacin de traccin.59RESISTENCIAFigura 11 Fluencia y endurecimiento en campos de tensin bi-dimensionales Figura 12 Influencia de la temperatura en las propiedades mecnicas delacero estructural (Este ejemplo es Fe490)donde:. = grado de deformacin = tensindefluenciadinmicas= tensindefluenciaesttica.Dyqsoncoeficientesdeajustedeldiagramaadimensiona-dos. D = 40.4 s-1yq = 5paraaceroalcar-bono2.5 Medios de incremento de la resistenciaLa resistencia de un acero puede definir-se como su capacidad para oponerse al inicio dela deformacin plstica estando sometido a unacargaexterna.Ladeformacinplsticatienelugar debido al movimiento de dislocaciones porlamalladelmetal,locualpermitealosplanosindividualesdelamalladeslizarseunossobreotros.Siestemovimientoseveobstaculizadopordefectosenlamalla,debeaplicarseunacarga externa mayor para que las dislocacionespuedansuperaresosobstculos.Poresolosmedios para aumentar la resistencia de los ace-rosbuscansiempreobstaculizarelmovimientodelasdislocaciones.Losobstculosalmovi-miento de las dislocaciones se pueden clasificarde acuerdo con la Tabla 1. Endurecimientoporsolubilizacindelafase slida Elaumentoderesistencialoproducentomosexternos que se disuelven en la matriz del metal.Puesto que estos tomos externos difieren de lamatriz del metal en tamao y propiedades fsicasy elctricas, causan una distorsin de la malla queobstaculiza el movimiento de las dislocaciones. Elaumentodelatensindefluenciadependedeltipo,cantidadydistribucindelostomosexter-nos, figura 14. Puede observarse que el aumentoderesistenciacausadoporCyNesespecial-menteelevado.Estoesdebidoaqueestosto-mossedisuelvenintersticialmenteentrelosto-mosdelamatriz,loqueprovocaunagrandistorsin de la malla. Los otros elementos repre-sentadosenlafigura14sedisuelvendemodosubstitucionalyocupanposicionesdelamallanormales, produciendo una menor distorsin. ElaumentodelaresistenciamediantesqD + |.`,1160Dimensin Generador Mecanismo0 (punto) tomos solutos endurecimiento por solubilizacinde la fase slida1 (lineal) dislocacionesendurecimiento por deformacinen fro2 (plano) contornos del grano afino del grano3 (espacial) partculas endurecimientopor precipitacin/dispersinIncremento de la resistencia de los acerosFigura 13 Influencia de velocidad de deformacin en las propiedades mec-nicas del acero dulceTABLA 1 endurecimientoporsolubilizacindelafaseslidaconllevaunadisminu-cindelatenacidad.(Latenacidadeslacapacidaddeunmaterialparaevitarlafracturafrgil,verLeccin3.3.2).Porlotantonosuelepreten-derse el nivel potencial de resistenciaalcanzablemedianteelendureci-mientoporsolubilizacindelafaseslida,debidoalaposibilidaddefractura frgil. Endurecimientopordeformacinen froLas propias dislocaciones son defectoslineales de la malla. La distorsin de lamallaqueenvuelvealadislocacinestorba el movimiento de otras disloca-ciones.Estainteraccinaumentasegn lo hace la densidad de disloca-cin. Duranteelconformadoenfrodelacero,porejemploenellaminadoenfro, deben producirse continuamente dislo-caciones,puessebloqueanunasaotraspermanentemente. La densidad de disloca-cinseelevayaumentalaresistenciadelaceroendurecindolopordeformacinenfro(figura15).Esteendurecimientovaacompaado de una pronunciada reduccinde la tenacidad. Afino de granoEl afino de grano es el mecanismo para incre-mento de la resistencia ms importante en losaceros para estructuras, pues es el nico queune al aumento de resistencia un incrementode la resistencia a la fractura frgil.Los contornos de grano constituyen barre-ras al movimiento de las dislocaciones. Enconsecuencia,conformedisminuyeeltamaodelgranoelnmerodebarrerasseeleva,loquesereflejaenunlmiteelsticoaumentado.Elefectodeltamaodelgranosobrelatensindefluenciase61RESISTENCIAFigura 14 Influencia del contenido de la aleacin sobre lamenor tensin de fluencia de la ferrita a tempe-ratura ambiente Figura 15 Dependencia de la menor tensin de fluencia del hierro- en la densidad de dislocacinexpresamediantelaecuacindeHall-Petch:ReL= iy+ ky. d-1/2donde ReLes el lmite elstico mnimoiyes la tensin de friccin: la tensin a laquecomienzalafluenciaenunmaterialcon granos muy grandeskyeslaresistenciadelcontornodegranod es el dimetro medio de grano. Endurecimiento por dispersin y precipitacinCuandounadislocacinenmovimientoseencuentraconunapartcula,solotienedosmecanismos de paso: abrirse paso a travs de la partcula, o doblarse entre las partculas y alrededor de ellas,dejando una seccin de la dislocacin como unanillo en torno a la partcula. Enlosaceroselmecanismopredominantedeendurecimientodepartculaseseldedoblamientodeladislocacin.Laresisten-cia est entonces inversamente relacionadaconelespaciamientoentrelaspartculas.Aspues,laresistenciaaumentaconformeeltamaodelaspartculasdisminuyeysegnseelevalafraccinvolumtricadelos precipitados. Elmodomsusualdeobtencindelaspartculasdeincrementodelaresistenciaeslaprecipitacinenlamatrizduranteeltratamientotrmico.Enelacerolomshabitual es que suceda durante el revenidodeacerosdecontenidomedioencarbonoendurecidos por temple, pero tambin tienelugar en aceros para estructuras durante elenfriamientotraslalaminacincontroladaoeneltranscursodelosulteriorestrata-mientos.2.6 DurezaLa dureza es una medida de la resisten-cia a la deformacin cuando se hace penetrar uninstrumento de indentacin cargado en la super-ficiedelmetalsometidoaensayo.Lapenetra-cin del instrumento de indentacin en la probe-ta da lugar a una deformacin local tanto elsticacomo plstica. Los mtodos de ensayo pueden ser est-ticos o dinmicos. Tanto la deformacin elsticacomolaplsticasetienenencuentaparaeva-luar la dureza dinmica, expresada en trminosdeenergaabsorbida.Losmtodosdeensayodinmicoscomprendenelensayodedurezaalimpacto y el ensayo de dureza Shore. Presentanla ventaja de posibilitar un ensayo rpido realiza-bleencualquierlugar.Comparadosconlosmtodos de ensayo de dureza estticos los din-micos son menos precisos. Los habituales mtodos de ensayo estti-cos de dureza a la penetracin difieren en cuan-toaltipodeinstrumentodeindentacinquesehace penetrar en el metal. El ensayo Brinell utili-za una bola de acero endurecido (EN 3), el ensa-yo Vickers (EN 5) una pirmide de diamante debase cuadrada (ngulo comprendido = 136) y elensayoRockwell(EN10004)serealizaconuncono de diamante (ngulo comprendido = 120).El instrumento de indentacin se introduceporpresinenlaprobetalentamente(casidemanera esttica). Tras retirar la carga se mide eltamao de la indentacin. A diferencia del ensayodinmico solo se tiene en cuenta la deformacinplstica. En el campo de la industria y de la inves-tigacin se prefieren los mtodos de ensayo est-ticos debido a la consistencia de sus resultados. Las diferentes mediciones de la dureza secorrespondenmuydecerca,sobretodoenlosvalores bajos. Ms complicada es la correspon-dencia de los valores de dureza con otras medi-das de la resistencia a la deformacin, como laspropiedades de traccin, pero una regla prcticaexperimentalesquelaresistenciaalatraccinenunidadesdeNmm-2equivaleaproximada-mente a 3 veces la dureza de Vickers.623. RESUMEN FINAL Lamayoradelaspropiedadesfsicasdelos metales son sensibles a la estructura. Lasprincipalesmagnitudesquedefinenlaspropiedadesmecnicasdelosmeta-lessometidosacargasnoconstantesson: El mdulo de Young. El coeficiente de Poisson. Latensindefluencia,otensindeensayoparametalessinunlmitedefluencia definido. La resistencia a la rotura. Dureza. Estas propiedades pueden verse afectadaspor: la temperatura el grado de deformacin la multiaxialidad la geometra. Se puede obtener una combinacin ptimade resistencia y tenacidad controlando: el contenido de aleacin el nivel de impurezas el tratamiento fsico.4. BIBLIOGRAFA ADICIONAL1. Leslie, W.L., The Physical Metallurgy of Steels,Hemisphere Publishing Corporation, Washington,New York, London, 1981.2.Dahl,W.,SteelHandbookofMaterialsResearchandEngineeringVolume1,Springer-Verlag, Dsseldorf 1990.63BIBLIOGRAFA ADICIONAL APNDICE 1Leccin 3.3.1: Introducin a las Propiedades Mecnicas de los Aceros 65APNDICE 1Datos caractersticos de las propiedades mecnicas de aceros para estructuras soldablesDatos caractersticos de las propiedades mecnicas de algunos metales y aleaciones comunesno ferrososValores caractersticos del mdulo de Young para metales67APNDICE 1Acero Estado Tensin Resis. rotura Alargamiento(tipo segn fluencia traccin hasta rotura %EN10025)(N/mm2) (N/mm2) (Lo= 5,65So)Tipo Fe430B laminado en 275 470 22(0,25% carbono) calienteTipo Fe430D normalizado 275 470 22(0,19% carbono)Tipo Fe510B laminado en 355 550 20(0,23% carbono) calienteTipo Fe510D normalizado 355 550 20(0,18% carbono)0,10% vanadio)Metal Al Au Ti Cu Fe NikN/mm270 79 120 130 210 200Metal o aleacin 0,2% Tensin Resis. rotura Alargamientode ensayo traccin hasta rotura %(N/mm2) (N/mm2) (Lo 5,65So)Aluminio (recocido) 34 77 47Aluminio (trabajado en fro) 94 115 13Duraluminio (recocido) 123 231 15Duraluminio (cronoendurecido) 278 432 15Cobre (recocido) 54 223 56Cobre (trabajado en fro) 285 316 1370-30 latn (recocido) 85 320 6570-30 latn (trabajado en fro) 378 463 20 ESDEP TOMO 3METALURGIA APLICADALeccin 3.3.2: Propiedades Mecnicas de los Aceros 69 71 OBJETIVOS/CONTENIDOOBJETIVOS/CONTENIDOOfrecerlacontinuacindelaLeccin3.3.1, presentando la tenacidad como propiedadingenieril importante.CONOCIMIENTOS PREVIOSLeccin 3.3.1: Introduccin a las PropiedadesMecnicas de los AcerosLECCIONES AFINESLeccin 3.1: CaractersticasdelasAleacionesdeHierroyCarbonoLeccin 3.2: ProcesosdeFabricacinyConformadoRESUMENEsta leccin expone los fenmenos de larotura dctil y la fractura transcristalina, as comola propiedad fsica de la tenacidad. Se resumenlosefectosqueelgradodecargatrmica,lascondiciones de tensin multiaxial y la geometratienen sobre la tenacidad. Se presentan el ensa-yo de flexin por choque sobre probeta entalladaylosmediosmshabitualesdecontroldelatenacidad. Se hace una introduccin a la mec-nica de rotura lineal-elstica y elasto-plstica. Sepresenta el ensayo de placa ancha y las tcnicasdeestimacinbasadasenlamecnicaderotu-ra.Seresumenlosmediosparaobtenerunacombinacinptimaderesistenciaytenacidad.Se presenta el concepto de fatiga, los principalesefectos sobre el comportamiento a la fatiga y losmedios para asegurar una adecuada resistenciaa la fatiga.721. TENACIDADLosmetalespresentanamenudounaspropiedadesbastanteaceptablescuandolosensayos de tensin se realizan sobre pequeasprobetas de barra lisas a temperatura ambientey con unos ndices de carga reducidos. Fallan sinembargoporfragilidadcuandosecarganele-mentosgrandesocuandolacargaseaplicaabajastemperaturasodeunaformarpida.Lasusceptibilidadalafracturafrgilaumentasiexistenentalladurasuotrosdefectos.Laresis-tencia a la fractura frgil suele conocerse comotenacidad. Los metales con red cbica centrada, porejemploelhierrovirgenylosacerosferrticos,poseenladesafortunadacaractersticadequesumecanismodefracturasufreunatransicindramtica al descender la temperatura, pasandodeunmododeductilidadtenazenlazonademsaltatemperaturaaunmododedespeguefrgil en las temperaturas inferiores. Los metalesde red cbica centrada en las caras, por ejemplocobre,aluminioyacerosaustenticos,nofallanpor despegue en ninguna condicin de carga nide temperatura.1.1 Tipos de roturaLa rotura dctil implica la formacin, cre-cimientoycoalescenciademicrovacos.Unasencilla analoga es la rotura de arcilla o masillaque contenga partculas de arena. Los microva-cos forman a su alrededor precipitados o inclu-siones no metlicas, ver figura 1. La ductilidad otenacidad del material depende bsicamente delafraccinvolumtricadelaspartculasquenucleanlosmicrovacos,esdecir,delapropor-cindearenaenlaanterioranaloga.Cuantomayoreslapurezadelmaterialmayoreselgradodedeformacinanterioralaroturayconello su tenacidad. Laorientacinmacroscpicadeunasuperficie de rotura dctil puede variar de 90a45respecto de la direccin de la tensin aplica-da. En las secciones gruesas la mayor parte delasuperficiederoturatiendeaorientarsea90respecto de la direccin de la tensin de traccinaplicada.Sinembargo,lasroturasdctilessue-lentenerun"bordedecizallamiento"("shear-tip")prximoauncontornolibreconformelastensionestransversalessereducenacero,haciendoqueelplanodemximocizallamientoest a 45respecto de la direccin de la tensinaplicada.La fractura transcristalina tiene lugar enmetales de red cbica de mallas centradas cuan-dolatensinmximaprincipalexcedeunvalorcrtico,eldenominadotensinmicroscpicadefractura transcristalina f*.Determinadosplanoscristalogrficosdetomos se separan cuando la tensin es lo bas-tante elevada como para romper los enlaces at-micos.Comoplanosdedespegueseprefierenlos planos cristalogrficos con bajas densidadesdemasa.Enlosaceros,losplanosdecambiopreferidos son los planos de nido de abeja (beecube planes). La superficie de rotura es perpendicular ala tensin principal mxima y tiene una aparien-ciamacroscpicaplanaycristalina.Asimplevistalafracturatranscristalinasuelepresentarunascaractersticasmarcasenformadefibraquesealanelorigendelarotura.Cuandolaroturafrgilseproduceenunagranestructura,esas marcas pueden tener un valor incalculablepara identificar el lugar de iniciacin de la fisura.Al microscopio puede verse cmo las fisuras deFigura 1 Formacindemicrovacosalrededordeprecipi-tadosoinclusionesnometlicasresultantesenfractura deprimida 73TENACIDADdespegue atraviesan los granos a lo largodelosplanoscristalogrficospreferidos(despegue transgranular). Si los contornos de grano se debi-litan a causa de los precipitados o por laconcentracindetomosexteriores,lasfisurasdedespeguepuedenpropagarsetambinalolargodeloscontornosdegrano (despegue intergranular). 1.2 Influencia de la tempera-tura, la velocidad decarga, la multiaxialidad y la geometraLatemperaturainfluyesobreelcompor-tamiento a la rotura debido principalmente a suefecto sobre el lmite elstico y la transicin derotura dctil a fractura transcristalina. La figura 2muestraesquemticamenteellmiteelsticoyla tensin microscpica de fractura transcristali-na correspondientes a un acero ferrtico, en fun-cindelatemperatura.Ellmiteelsticodes-ciende segn aumenta la temperatura, mientrasque la tensin de fractura transcristalina apenasseveinfluida.Latemperaturadetransicinsedefineporlainterseccinentrelascurvasdeambosfactores.Atemperaturasmsbajaslasprobetasfallansinunadeformacinplsticaprevia(fracturafrgil).Algoporencimadelatemperaturadetransicinpuedeproducirsetodavalafracturatranscristalina,debidoalefectodelendurecimientoporacritudinducidopor la deformacin. A temperaturas ms eleva-das ya no es posible el despegue y la fractura sehace totalmente dctil. Ellmiteelsticoaumentasegnlohaceelndicedecarga(marcadoconlneadisconti-nuaenlafigura2),mientrasquelatensinmicroscpicadefracturatranscristalinaapenasmuestra dependencia del grado de deformacin.Ese aumento hace que la temperatura de transi-cin de dctil a frgil alcance valores ms altosconvelocidadesdecargamayores.As,unaumento de la velocidad de carga y una reduc-cin de la temperatura perjudican de igual mane-ra la tenacidad. Unestadodetensinmultiaxialtieneunainfluenciaimportantesobrelatransicinderoturadctilafracturatranscristalina. Un estado de tensin tria-xial,enelquelastrestensionesprinci-pales 1, 2y 3sean positivas (pero noiguales), inhibe o restringe el inicio de lafluencia. En estas condiciones la fluenciatiene lugar con una mayor tensin que laobservada en un estado de tensin unia-xialobiaxial.Estasituacineslaquemuestralafigura3,enlaquepuedeversequelatemperaturadetransicinderivada de la interseccin de las curvasde resistencia al despegue y lmite els-Figura 2 Resistencia de fluencia y tensin de fractura transcristalinamicroscpica como funcin de temperatura y velocidad decargaFigura 3 Influencia de la multiaxialidad en la temperatura de transi-cin Tt74ticosehadesplazadoaunatemperaturamselevada,esdecir,queelmetalsehahechoms frgil. Lasituacinmshabitualenlaquesedan estados multiaxiales de tensin en estructu-ras de acero, es en combinacinconentalladurasofisurasenseccionesgruesas.Laconcen-tracindetensinenlarazdelaentalladuradalugaraunazonalocaldetensionestriaxia-les, aun cuando la carga aplica-dapuedeserunidireccional(figura 4). 1.3 Ensayo de flexinpor choque sobreprobeta entalladaElensayodeflexinporchoque sobre probeta entalladaeslapruebamshabitualparadeterminarlasusceptibilidadalafracturafrgil,yaquenoescaroyseejecutaconrapidez.Conunpndulocalibradosegolpean barras cuadradas de 10mm de lado y 55 mm de longitudconentalladuramecanizada,(ISO-VoprobetasCharpy).Laenergaabsorbidaprocedentedel pndulo oscilante durante ladeformacinyroturadelapro-betadeensayoseutilizacomomedidadelaenergadecho-que.Laenergadechoquesobreprobetaentalladaconsis-teenladeformacinelsticayplstica,laenergaderoturayla energa cintica de las piezasrotas. Lasfiguras5y6mues-tran la energa de choque sobreprobeta entallada en funcin delatemperaturadeensayo.Abajastemperaturas,elfallodelosacerosferrticostienelugarpor fractura transcristalina dando a la superficiederoturaunaaparienciacristalinalustrosa.Atemperaturaselevadas,elfalloseproduceporroturadctiltrasladeformacinplstica.Enlazona de transicin se encuentran pequeas can-tidades de rotura dctil prximas a la entalladuraFigura 4 Contracciones transversales cerca de la punta de la entalladura en unachapa gruesa Figura 5 Curva de transicin de impacto dctil a quebradizo de un acero ferrtico Energa absorbida en impactoAparicin de fracturaelevadas tensiones cerca del extremo de la fisu-ra,elmecanismodefracturacambiaadespe-gue. A lo largo de la zona de transicin la canti-daddefracturatranscristalinadisminuye,mientras que la energa de choque sobre probe-ta entallada aumenta conforme se eleva la tem-peratura de ensayo.Paracaracterizarelcomportamientodetransicin, la temperatura de transicin se definecomo aqulla a la que: se alcanza un nivel determinado de la ener-gadechoquesobreprobetaentallada(T27J, T40J), se alcanza la mitad del valor mximo de laenerga de choque (T50%), o en la superficie de rotura se observa un 50%deroturadctil(FATT50:Temperaturadetransicin del aspecto de la rotura (FractureAppearanceTransitionTemperature,50%rotura dctil).Los valores de energa de choque obteni-dosmuestranunagrancantidaddedispersinenlazonadetransicin,yaquelosresultadosdependenaqudelasituacinlocalfrentealextremo de la fisura. Ms all de esta zona la dis-persindisminuyealnohabercambiosenelmecanismoderotura. Elensayodeflexinporchoquesobreprobetaentalladanoofrecemsqueunamedidarelativadelatenacidad.Estamedida es adecuada para definirdistintos grados de tenacidad enacerosparaestructurasyparaespecificaracerosdestinadosaunascondicionesdeserviciobienestablecidas.Paraevaluardefectos conocidos y para situa-ciones de servicio en las que nohaymuchaexperienciareferidaalasusceptibilidadalafracturafrgil,unamedidadelatenaci-dadquepuedenemplearlosproyectistas es la mecnica de rotura.1.4 Tenacidad a la roturaLamecnicaderoturaproporcionaunadescripcincuantitativadelaresistenciadeunmaterialalarotura.Latenacidadalaroturaesuna propiedad del material que puede utilizarsepara predecir el comportamiento de los elemen-tosquetenganfisurasoentalladurasagudas.Laspropiedadesdetenacidadalaroturaseobtienenmedianteensayossobreprobetasconfisuras o entalladuras intencionadas y sometidasa las condiciones de carga prescritas. Dependiendodelaresistenciadelmate-rial y del espesor de la seccin, se aplica el con-ceptodemecnicaderoturalineal-elstica(LEFM:Linear-elasticfracturemechanics)oelasto-plstica(EPFM:Elastic-plasticfracturemechanics).El mtodo de mecnica de rotura lineal-els-ticaElfactordeintensidaddetensindescri-be la intensidad del campo de tensin elstico enelextremodelafisuradeunaprobetagruesa,profundamentefisuradaycargadaperpendicu-75TENACIDADFigura 6 Curvas de transicin para varios aceroslarmente al plano de la fisura. (1)donde es la tensin normala es la profundidad de la fisuraY eslafuncincorrectoradependientedelafisuraydelageometradelapieza de ensayo.El valor crtico del factor de intensidad detensin para el inicio del crecimiento de la fisuraes la tenacidad a la rotura KIC.Otra propiedad del material que se obtie-ne de la mecnica de rotura lineal-elstica es lavelocidaddeenergaliberadaGI.Indicacuntaenerga de deformacin elstica se libera duran-telapropagacindelafisura.Sedeterminadeacuerdo con la ecuacin (2):(2)donde E es el mdulo de YoungDeformaanlogaalfactordeintensidadde tensin, el crecimiento de la fisura tiene lugarcuando GIalcanza un valor crtico GIc.Las propiedades de tenacidad a la roturaKIcy GIcse determinan con probetas de mec-nica de rotura, generalmente tal como muestranlas figuras 7 y 8.El importante valor de los parmetros detenacidad a la fractura KIcy GIces que, una vezhan sido medidos para un material concreto, sepuedenutilizarlasecuaciones(1)y(2)parahacerprediccionescuantitativasdeltamaodeldefecto necesario para provocar una fractura fr-gilcorrespondienteaunatensindada,odelatensin que ocasionar una fractura frgil con undefecto de tamao conocido. G YaEKEII 22 2K Y aI 76Figura 7 Probetas de fracturas mecnicasFigura 8 Medicin de carga F, desplazamiento v y flecha fen probetas CT y SENB Comosunombreindica,lamecnicaderoturalineal-elsticaesaplicablealosmateria-les que se rompen cuando son sometidos a unascondicionesdecargaelsticas.Losfenmenosde rotura que se dan en aceros bonificados alta-menteresistentesesdeestetipo.Enacerospara estructuras con resistencia menor, antes deque se produzca la rotura se desarrolla en la razde la entalladura una plasticidad extensiva. Estecomportamiento invalida muchas de las presun-ciones de la mecnica de rotura lineal-elstica ydificultaorestasignificadoalensayo.Enestoscasossehadeaplicarlamecnicaderoturaelasto-plstica. Existendostcnicasalternativasdemecnica de rotura elasto-plstica:1. Desplazamientodelaaberturadelextre-modelafisura(CrackTipOpeningDisplacement (CTOD))2. Integral JSusprincipalesaspectosseresumenacontinuacin. El mtodo de mecnica de rotura elasto-plsticaUnadelasconsecuenciasdeldesarrollode plasticidad en el extremo de una fisura ante-riormente aguda, es que sta se har ms romay se producir un desplazamiento de la aberturaenlaposicindelextremooriginaldelafisura.Es el desplazamiento de la abertura del extremode la fisura (CTOD). Conforme contina la cargaelvalorCTODaumentahastaque,finalmente,sealcanzaunvalorcrtico cenelquesepro-duce el crecimiento de la fisura.Eldesplazamientocrticodelaaberturadelextremodelafisuraesunamedidadelaresistenciadelmaterialalafractura,esdecir,unamedicinalternativadelatenacidadalarotura. Paralosmaterialesquepresentanpocaplasticidad antes del fallo, el CTOD crtico, c, sepuede referir a los parmetros de tenacidad a larotura lineal-elsticos KIcy GIc, como sigue:donde E es el mdulo de Youngyes el lmite elstico uniaxial es el coeficiente de Poissonm esunfactorderestriccinconunvalorentre 1 y 3 dependiendo del estado de ten-sin en el extremo de la fisura.Otra forma de considerar la plasticidad delextremodelafisuraesdeterminandolaintegralJ. J se define como una integral sobre lnea inde-pendiente de recorrido a travs del material quecircunda al extremo de la fisura. Viene dada por:(3)dondeU es la energa potencialB es el grosor de la probetaa es la longitud de la fisura(4)F es la cargaVges el desplazamiento totalPuesto que la determinacin de J resultadifcil, en la prctica se utilizan soluciones apro-ximadas.(5)donde b = w a = 2 (para probetas SENB) = 2 + 0,522 b/w (para probetas CT)El valor crtico de J es una caractersticadelmaterialyseexpresaJIc.Enelcasolineal-elstico, JIces igual a GIc.JUbB bBFdVgVg 10U FdVgVg0JBdUda 1KEGmEIcIcy c22 21 1 ( ) ( ) 77TENACIDAD1.5 Adecuacin al uso destinadoLaevaluacinconvencionaldelosele-mentos se basa en una comparacin de la resis-tenciaproyectadaconlasaccionesaplicadas.Los criterios de tenacidad se satisfacen general-mentemedianteunaadecuadaseleccindelacalidaddelmaterial,segnseexponeenlaLeccin 3.5. Sin embargo, existen situaciones enlasquesehadellevaracabounaevaluacinms fundamental, debido a: Unas condiciones de servicio exigentes. Defectos de fbrica. Defectos, como por ejemplo fisuras por fati-ga,quesedesarrollandurantelavidatilprevia.Estasevaluacionessepuedenrealizarmediante diferentes mtodos. Si el elemento espequeoquizsepuedasometeraensayo.Enelcasodeestructurasgrandesnicas,comopuentes o plataformas petrolferas, este mtododeobtencindelosdatosmsrealesdebeexcluirse.Sepuedenefectuarensayossobredetallesrepresentativosdeunelementosilasimulacindelaestructurarealescuidadosa,por ejemplo teniendo en cuenta las condicionesespecficasdeservicioincluyendolageometray discontinuidades de la estructura, velocidad decarga,temperaturadeservicioycondicionesambientales. Un ejemplo tpico de un mtodo deeste tipo es el ensayo de placa ancha, expues-to ms abajo. Los conceptos de mecnica de rotura sehandesarrolladoparaevaluarlaseguridaddeloselementosconfisuras.Dependiendodelcomportamientoglobaldelelemento(lineal-elsticooelasto-plstico)sepuedenempleardiferentes mtodos para evaluar el fallo. 1.5.1 Ensayo de placa anchaDurante los ltimos 20 aos se han utili-zadograndesprobetasdetraccinplanas,denominadasplacasanchas,parasimularundetallerelativamentesimpledeunaestructuragrandesometidaaunacargadetensin.Unode los principales objetivos del ensayo de placaanchaeslaevaluacindelcomportamientodedeformacinyroturadeunaprobetaencondi-ciones de servicio. La segunda razn para utili-zar este tipo de ensayo es la aplicacin de susresultados para el desarrollo y control de mto-dosdeevaluacindelfallo,porejemplolosdemecnica de rotura.Losensayosdeplacaancharequierenequiposdepruebaconcapacidadesdecargaelevadas, debido a que tales ensayos suelen lle-varseacaboconespesortotal.Lasdimensio-nes mximas de los placas anchas probadas engrandesinstalacionesexperimentalesconuna78Figura 9 Diferentes tipos de probetas de chapa anchacapacidaddecargadehasta100MN,sonlassiguientes: anchura de la probeta W 3000 mm espesor de la probetahasta 300 mm longitud de la probetal 5000 mmLa figura 9 muestra distintos tipos de pro-betascondiscontinuidadesparaensayossobreel metal de base o juntas soldadas. Esas discon-tinuidadespuedenserentalladurasofisurasengrosorosuperficiales.Laconfiguracindelachapa suele escogerse en funcin de la situacinestructural especfica que se quiere evaluar. Se pueden emplear criterios de tensin odeformacin como criterios de seguridad que sedeben cumplir para garantizar la seguridad de unelemento estructural concreto. La produccin deuna cantidad dada de deformacin global se uti-lizaenalgunoscasoscomocriteriodefallo.Elconcepto de fluencia de seccin bruta exige questa (gross-section-yielding (GSY)) tenga lugarantes de la rotura. Con base en este concepto sesometen a ensayo placas anchas con diferenteslongitudesdefisuraencondicionesdecargasimilares,paradeterminarlalongituddefisuracrticaquecumplaelcriterioGSY.Lafigura10muestra la relacin de la tensin mxima de sec-cinbrutaenlaestructurarespectodelaresis-tenciaalaroturaportraccin,enfuncindelarelacin de longitud de la fisura 2a/W de placasanchasentalladosenelcentro.Lalnealmitesuperior describe la tensin mxima terica si laresistencia a la rotura por traccin se alcanza enlaseccintransversalquecontieneladisconti-nuidad.Todoslosresultadosdelosensayosofrecenvaloresinferioresalosqueimplicalalneaterica,dadalaimportanteinfluenciaquelatenacidadtienesobrelapresenciadediscontinuida-des.Lalneatericasolosepuedealcanzar si la tenacidad es infinita. Lainterseccin de la curva determinadaexperimentalmente y la lnea del lmi-te aparente de fluencia marca la rela-cin crtica de la longitud de la fisura2ac/W. En tanto en cuanto la relacin2a/W es inferior a la relacin crtica, elcriterioGSYsecumple.Desgra-ciadamentelarelacincrtica2ac/Wdependeengranmedidadelasdimensionesdelafisuraydelachapa,demaneraquediferentestiposdeelementosfisuradosexigensiempreunaseriedeensayosdeplanoanchoespecficos.Poresoseutilizaesteconceptonicamentesino se pueden aplicar otros.1.5.2 Conceptos de mec-nica de roturaLabasedeunanlisisdeseguridaddemecnicaderoturaeslacomparacinentrelafuerzadirec-triz de la fisura existente en la estruc-turaylatenacidadalaroturadel79TENACIDADFigura 10 Evaluacin del tamao crtico de la fisura usando el conceptode fluencia de seccin bruta material, evaluada en ensayos a pequea esca-la. La aplicacin de uno de los conceptos depen-dedelcomportamientoglobaldelaestructura,quepuedeserlineal-elstico(conceptoK)oelasto-plstico (concepto CTOD o de integral J).Paraquelaestructuraseaseguralafuerzadirectriz de la fisura debe ser menor que la tena-cidad a la rotura. En general los valores de tena-cidadseevalandeacuerdoconestndaresexistentes.Lafuerzadirectrizdelafisurasepuede calcular sobre la base de soluciones ana-lticas(conceptoK),mtodosempricososemiempricos(mtododelacurvadediseoCTODproyectado,procedimientosCEGB-R6)omediante soluciones numricas (indirectamente:manual EPRI; directamente: clculos de elemen-tosfinitos).Acontinuacinseexplicanbreve-mente los diferentes mtodos: Concepto KElconceptoKsepuedeaplicarenelcasodeuncomportamientolineal-elsticodelelemento.Lafuerzadirectrizdelafisura,denominada factor de intensidad de tensinKIydefinidaenlaseccin1.4,sehaeva-luadoparaunagranseriedesituacio-nes,ofrecindosefrmulasdeclculopor ejemplo en el manual de anlisis detensin de fisuras. Normalmente la tenacidad crtica ala rotura KIcdel material se evalade acuerdo con la norma E 399 deASTM o con la Norma Britnica BS5447.Puededescartarseunfallopor fragilidad en tanto en cuanto:KI< KIcPara una tenacidad dada a la rotu-ra,lalongitudcrticadelafisuraoniveldetensinsepuedecalculara partir de: MtododelacurvadediseoCTODpro-yectadoSe puede determinar una longitud de la fisu-raoniveldetensincrticosmediantelacurva lmite del mtodo de curva de CTODproyectado, destinado a la evaluacin de lafuerzadirectriz,juntoconvaloresmedidosdeCTODcritcorrespondientesalmaterial.La curva lmite ha sido adoptada por diver-sas normas, por ejemplo la Norma BritnicaBS-PD6493.Laltimaversindecurvalmitesemuestraenlafigura11ypuedeemplearse para:2a/W 0,5 y net YSLos anlisis slo se pueden realizar en con-dicioneselsticasglobales(net YS),sibienfrentealextremodelafisurapuedetenerlugarunadeformacinplsticalocalque se tiene en cuenta en el valor CTOD delmaterial.aKYcKY acIcIc

]]]12 80Figura 11 ClculodefallosdechapamedianteelenfoquedeCurva-Diseo-CTOD Procesos CEGB-R6LosprocesosCEGB-R6puedenutilizarseparaevaluarlaseguridaddeestructurasencuantoalcomportamientofrgilodctildelelemento.Latransicindecomporta-mientolineal-elsticoaelasto-plsticoestdes-critaenundiagramadeanlisisdefalloporunacurvalmite(figura12).ElvalordelaordenadaKrpuedeconsiderarsecomocualquieradelastresrelacionesequiva-lentes de la fuerza direc-trizdelafisuraaplicada,respectodelatenacidadalaroturadelmaterial,como sigue: Otros mtodosOtrosmtodosestnapareciendo.ElInstitutodeInvestigacindelaEnerga Elctrica (Electrical PowerResearchInstitute(EPRI))deNueva York ha utilizado un anlisisdetalladomedianteelementosfini-tosparadeterminarvaloreslmitesdelaintegralJparageometrasestndar.Demaneraalternativa,losvaloresdelaintegralJpuedenobtenersemedianteelanlisisdirectodelasituacinparticularmediante elementos finitos.81 TENACIDADFigura 11 ClculodefallosdechapamedianteelenfoquedeCurva-Diseo-CTOD Figura 12 Clculo de fallo en chapa ancha usando las rutinas CEGB-R6KKKfactor de ensidaddetensionaplicadotenacidadalafacturaCOTDelasticoaplicadoCOTDcriticodel materialJelasticaaplicadaValor Jcriticodel materialrImat int factor de intensidad de tensin aplicadocrticocrtico2. COMBINACINPTIMA DERESISTENCIA Y TENACIDADEnlasseccionesanterioressehadescritolainfluencia de la microestruc-tura sobre la resistencia y latenacidadutilizandomeca-nismosmetalrgicos.Lametalurgiaqumicayfsicapuede modificar las caracte-rsticasdelamicroestructu-ra de manera que se puedansatisfacerrequisitosderesistencia y tenacidad pti-mas. La combinacin de losdistintos tratamientos permi-teconseguirunaampliagamadepropiedadesdelacero (figura 13): TratamientosmetalrgicosqumicosLavariacindelacomposi-cinqumicadeunaceroaadindoleelementosdealeacintienecomoobjetivoaumentar su resistencia y/o laresistencia a la fractura frgil.El endurecimiento por solubi-lizacindelafaseslidareduce generalmente la tena-cidad, y no se emplea dema-siado.Elendurecimientoporprecipitacinaumentatam-bin la resistencia y reduce latenacidad.Laadicindemanganeso y nquel produceunpequeoaumentodelaresistenciadebidoalendure-cimientopordisolucin,perouna reduccin ms significati-va se produce en la tempera-tura de transicin en el ensa-yoderesiliencia,debidaalafino de grano (figura 14). Laaleacinconelementosdemicroaleacicomoniobio82Figura 13 Cambio de la temperatura de transicin de impacto del acero estructuralmediante metalrgia qumicaFigura 14 Tensin de fluencia y temperatura de transicin de impacto del acero condiferentes combinaciones de aleacin (normalizadas) (Nb),vanadio(V)ytitanio(Ti),queproducecar-burosynitruros,elevasimultneamentelaresis-tencia, mediante el endurecimiento por precipitacin, y la tenacidad, medianteel afino de grano. La disminucin del conteni-do de elementos tales como S y P aumenta elgrado de pureza, lo cual afecta positivamentea la tenacidad y a la soldabilidad. Tratamientos metalrgicos fsicosLamicroestructuradeunaceropuedeversemuyafectadaporeltratamientooelconfor-madoencaliente.Medianteunacorrectaeleccin de la temperatura, el grado de defor-macin, el tiempo transcurrido entre las fasesde deformacin y el ritmo de enfriamiento sepuede reducir el tamao de grano y controlarelestadodeprecipitacin,elevandoaslatenacidad y la resistencia (figura 15).Esta combinacin de tratamiento y conforma-doencaliente,conocidacomotratamientotermomecnico,ofreceresultadosaunmejo-res si se aaden elementos de microaleacintales como V o Nb, lo cual ocasiona un afinoadicional de grano con una mejora de las pro-piedades de tenacidad y resistencia.83 COMBINACIN PTIMA DE RESISTENCIAFigura 15 Tensin de fluen