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Lic. Guillermo Robino 1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN

MATERIALES

“ESTUDIOS DE MATERIALES APLICADOS AL FERROCARRIL”


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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.


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UNIDAD I


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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.

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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%.

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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.

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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

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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.

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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

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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.

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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

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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.

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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

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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

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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.

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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.


MATERIALES

UNIDAD II


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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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3.3. Fractura por fatiga: Se caracteriza por superficie color claro, con marcas de OLAS, plana y lisa.

3.5. Ejemplos reales

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Resultados de las características de la fractura del cilindro boom de Pala.

Resultados del inicio y final de la fractura del cilindro boom.

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Resultados de concentradores de esfuerzo anormales del cilindro boom.

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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

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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.

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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

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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.

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• -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

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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.

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• 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.

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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

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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

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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

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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

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• 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.

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• 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.

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• 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.

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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.

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• Clavo Rielero Ferrocarriles:



• Clavo Rielero Tipo Americano:



• Perno Rielero Cuello Ovalado:



• Tuercas Bulldog:


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.

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• Perno KZ:



• 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.

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• 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

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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)

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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)

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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.

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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.

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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.

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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.”

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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.

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