Explicación de las propiedades mecánicas de los metales
Cada metal exhibe múltiples propiedades mecánicas. Algunas propiedades de los metales son complementarias, mientras que otras se encuentran en lados opuestos. Por ejemplo, el metal no puede ser dúctil y quebradizo al mismo tiempo. Sin embargo, mediante el tratamiento térmico, podemos alterar las propiedades mecánicas de los metales.
Es por eso que los soldadores deben comprender los conceptos básicos de la metalurgia. Mediante un tratamiento térmico inadecuado, la selección del metal de aporte, la selección del metal base, el manejo y almacenamiento inadecuados del metal y otros tratamientos inadecuados, puede poner en peligro las propiedades mecánicas de la junta necesaria.
Elasticidad
La deformación elástica son las propiedades de los metales que vuelven a su forma normal después de que se elimina la carga aplicada.
El módulo de Young muestra la región elástica o el rango elástico del metal dado.
La deformación plástica es cuando la energía de deformación plástica deforma permanentemente el metal.
Ya no vuelve a su forma original, incluso si se quita la carga.
El resorte de metal ilustra mejor la elasticidad. Vuelve a su forma original después de levantar la carga.
Ductilidad
La ductilidad es la propiedad del metal que le permite experimentar permanentemente estirado, torcido, doblado o de otro modo cambiando la forma sin agrietarse o romperse. Los materiales dúctiles experimentan un mayor grado de deformación elástica y plástica antes de fallar. Eso es porque sus enlaces interatómicos pueden estirarse cuando se aplica la fuerza.
Los metales dúctiles son el aluminio, el zinc, el cobre y el acero blando como el acero dulce. Estos metales experimentarán menos grietas después de la soldadura a medida que se enfríen. Esto se debe a que la soldadura tirará del metal circundante y el metal base tiene una resistencia a la tracción lo suficientemente alta como para evitar grietas. Consulte nuestra guía completa sobre la ductilidad en la soldadura para obtener más información sobre cómo evitar grietas y aprovechar las propiedades dúctiles del metal.
Reducción del área
La reducción del área se obtiene a partir de la prueba de tracción y muestra la reducción del área de la sección transversal antes de que el metal se separara y después de que se rompiera. Dividiendo el área de la sección transversal original y el área de la sección transversal posterior a la rotura, y multiplicando el valor resultante por 100, obtenemos el porcentaje de reducción del área.
fragilidad
A diferencia de la ductilidad, la fragilidad es una característica del metal que determina la facilidad con la que un material se rompe sin una aparente deformación elástica o plástica.
Por ejemplo, si se rompe un hierro fundido, puede volver a unir las piezas como un rompecabezas y no habrá ninguna deformación plástica de la pieza original. Puede obtener más información sobre la soldadura de hierro fundido en nuestra guía separada.
La soldadura de material frágil es muy desafiante. Los aceros de alta resistencia y el hierro fundido tienen un alto contenido de carbono. Esto les da fuerza adicional pero también los hace quebradizos.
La imagen muestra un espécimen de hierro fundido roto. Autor: Sigmund de Wikipedia.
El mayor desafío al soldar dicho material es la fase posterior a la soldadura. El enfriamiento del área soldada provoca inmediatamente grietas porque el material no puede tolerar la tensión interna que se forma entre la soldadura y el metal base. Por lo tanto, es necesario emplear un tratamiento térmico avanzado posterior a la soldadura.
Dureza
La dureza determina cuánta resistencia exhibe un metal a la penetración.
Muchos metales mejoran la dureza cuando se tratan térmicamente o después de experimentar un trabajo en frío.
El número de dureza Brinell es proporcional a la carga o fuerza de prueba de una bola de acero endurecido al área curva calculada de la muesca formada.
La máquina de dureza Brinell presiona la bola de acero en el material de muestra probado y, dependiendo de la profundidad de la muesca, se determina la dureza.
Esquemas de la máquina de prueba de dureza Brinell de researchgate.com
Tenacidad
La tenacidad muestra el potencial del material para absorber impactos y cargas de impacto al deformarse sin fracturarse.
Para que el metal tenga una calificación alta en la escala de tenacidad, debe tener una elasticidad, ductilidad y resistencia a la fluencia adecuadas. Las grietas, muescas, ranuras y marcas de herramientas pueden reducir considerablemente la dureza de algunos metales.
La máquina de prueba de impacto balancea un martillo y golpea la pieza de material probada que tiene una pequeña muesca.
La energía del swing se mide en el punto de inicio y final del swing sin golpear la pieza probada. El proceso se repite pero la pieza ensayada y la diferencia de energía al final de la oscilación nos muestran cuánta energía ha soportado el material ensayado.
Esquemas de la máquina de prueba de resistencia al impacto de researchgate.com
Fortaleza
La resistencia es la propiedad del metal para soportar la deformación. Las dos medidas de resistencia más cruciales para la soldadura son la resistencia a la tracción y a la compresión. Pero también existen resistencias al corte ya la torsión que pueden ser importantes dependiendo de las cargas a las que se somete la unión soldada.
Resistencia a la tracción
La resistencia a la tracción se refiere a la capacidad del material para resistir la fuerza aplicada para separarlo.
Los dos puntos más importantes al medir la resistencia a la tracción son el límite elástico y la resistencia última a la tracción.
El límite elástico representa la carga necesaria para lograr una deformación permanente. Según la carga de tracción, el punto de fluencia es cuando el metal deja de estirarse (deformación elástica) y comienza a experimentar un alargamiento permanente (deformación plástica).
Módulo de Young – Diagrama tensión/deformación.
Aquellos metales que experimentan un alto grado de deformación elástica y plástica son materiales dúctiles, pero más precisamente, los llamamos materiales elásticos. La resistencia máxima a la tracción es una fuerza necesaria para romper la pieza metálica. Es la máxima resistencia desarrollada en el material antes de fallar repentinamente después de alcanzar este punto.
Módulo de Young o módulo de elasticidad en tensión o compresión, y mide la rigidez a la compresión. Representa la curva de tensión-deformación, y podemos leer en su diagrama la carga de tracción necesaria para el límite elástico, el límite elástico y la resistencia última a la tracción.
Fuerza compresiva
El esfuerzo de compresión aplicado al material lo aplastará si la resistencia a la compresión no es lo suficientemente alta para resistir la carga aplicada. Los materiales frágiles pero duros, como el hierro fundido y los aceros de alta resistencia, tienen una resistencia a la compresión mucho mayor que la resistencia a la tracción.
Resistencia a la cizalladura
La resistencia al corte es la capacidad del material para resistir el esfuerzo cortante que intenta dividir el material. Las fuerzas que actúan no están en el mismo plano sino que son opuestas y en línea recta.
Resistencia a la torsión
La resistencia a la torsión es la resistencia del material a una fuerza de torsión. Este es un problema complicado en la ciencia de los materiales porque hay múltiples fuerzas internas y externas que actúan juntas. Un buen ejemplo es el rotor de una turbina de vapor, cuyo eje está expuesto a una carga de torsión.
Maleabilidad
A diferencia de la ductilidad, la maleabilidad del metal es su capacidad para deformarse plásticamente bajo tensión de compresión sin romperse. Es necesaria una buena maleabilidad de la soldadura si la pieza soldada se va a mecanizar con fuerzas de compresión. Por lo tanto, los procesos de martillado, extrusión, laminado y similares requieren un metal maleable y uniones soldadas.
El acero dulce tiene una excelente maleabilidad, mientras que el hierro fundido, por ejemplo, no tiene maleabilidad y se romperá si intenta martillarlo.
Resistencia a la fatiga
La resistencia a la fatiga es la resistencia más alta que un metal puede soportar durante un gran número de inversiones cíclicas de carga.
Si el elemento está experimentando constantemente un cambio en las fuerzas de carga, de modo que las cargas cambien de esfuerzo de compresión a esfuerzo de tracción, debe tener la resistencia a la fatiga necesaria.
El mejor ejemplo es la industria de la aviación. Los aviones deben estar hechos de metal y unidos con soldaduras con suficiente resistencia a la fatiga porque el avión experimentará transiciones rápidas en la naturaleza de las cargas aplicadas.
La tabla muestra una diferencia en la resistencia del número de ciclos entre el aluminio y el acero para una tensión dada en ksi. Autor: AndrewDressel de Wikipedia.
Conclusión
Las propiedades mecánicas de los metales se determinan mediante pruebas, como una prueba de tracción, por ejemplo. Para soldar es necesario saber qué tan dúctil es el material, su límite elástico, cómo manejará la tensión nominal y la tensión aplicada, y su capacidad máxima de carga.
Pero, puede haber más propiedades para que un ingeniero mecánico considere, dependiendo del entorno y la carga externa a la que está sujeta la unión soldada.