1. INTRODUCCIÓN
Según la norma
UNE EN 10020:2001 define al acero como aquel material en el que el hierro es el
elemento predominante, el contenido en carbono es, generalmente inferior al 2%
y contiene además a otros elementos.
El límite
superior del 2% en el contenido de carbono (C) es el límite que separa al acero
de la fundición. En general, un aumento del contenido de carbono en el acero
eleva su resistencia a la tracción, pero como contrapartida incrementa su
fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad. En
función de este porcentaje, los aceros se pueden clasificar de la siguiente
manera:
ACEROS DULCE
Cuando el
porcentaje de carbono es del 0,25% máximo. Estos aceros tienen una resistencia
última de rotura en el rango de 48-55 kg/mm2 y una dureza Brinell en el
entorno de 135-160 HB. Son aceros que presentan una buena soldabilidad
aplicando la técnica adecuada.
- Aplicaciones: Piezas de resistencia media de buena tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado, herrajes, etc.
ACEROS SEMIDULCE
El porcentaje
de carbono está en el entorno del 0,35%. Tiene una resistencia última a la
rotura de 55-62 kg/mm2 y una dureza Brinell de 150-170 HB. Estos aceros
bajo un tratamiento térmico por templado pueden alcanzar una resistencia
mecánica de hasta 80 kg/mm2 y una dureza de 215-245 HB.
- Aplicaciones: Ejes, elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaces, pernos, tornillos, herrajes.
ACEROS SEMIDURO
Si el
porcentaje de carbono es del 0,45%. Tienen una resistencia a la rotura de 62-70
kg/mm2 y una dureza de 280 HB. Después de someterlos a un tratamiento de
templado su resistencia mecánica puede aumentar hasta alcanzar los 90 kg/mm2.
- Aplicaciones: Ejes y elementos de máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de motores de explosión, transmisiones, etc.
ACEROS DURO
El porcentaje
de carbono es del 0,55%. Tienen una resistencia mecánica de 70-75 kg/mm2, y una
dureza Brinell de 200-220 HB. Bajo un tratamiento de templado estos aceros
pueden alcanzar un valor de resistencia de 100 kg/mm2 y una dureza de
275-300 HB.
- Aplicaciones: Ejes, transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy elevados.
El diagrama
tensión-deformación resulta de la representación gráfica del ensayo de
tracción, normalizado en UNE-EN 10002-1, y que consiste en someter a una
probeta de acero normalizada a un esfuerzo creciente de tracción según su eje
hasta la rotura de la misma. El ensayo de tracción permite el cálculo de
diversas propiedades mecánicas del acero.
La probeta de
acero empleada en el ensayo consiste en una pieza cilíndrica cuyas dimensiones
guardan la siguiente relación de proporcionalidad:
L0= 5,65 · √S0
Donde L0 es
la longitud inicial, S0 es la sección inicial y D0 es el diámetro
inicial de la probeta. Para llevar a cabo el ensayo de tracción, las anteriores
variables pueden tomar los siguientes valores:
D0 = 20
mm, L0 = 100 mm, ó bien,
D0 = 10
mm, L0 = 50 mm.
El ensayo
comienza aplicando gradualmente la fuerza de tracción a la probeta, lo cual
provoca que el recorrido inicial en la gráfica discurra por la línea recta que
une el origen de coordenadas con el punto A.
Hasta llegar
al punto A se conserva una proporcionalidad entre la tensión alcanzada y el
alargamiento unitario producido en la pieza. Es lo que se conoce como Ley de
Hooke, que relaciona linealmente tensiones con las deformaciones a través del módulo
de elasticidad E, constante para cada material que en el caso de los aceros y
fundiciones vale aproximadamente 2.100.000 Kg/cm2.
La
determinación de las propiedades mecánicas en el acero, como el límite elástico
(fy), la resistencia a tracción (fu), así como de otras características
mecánicas del acero como el Módulo de Elasticidad (E), o el alargamiento máximo
que se produce en la rotura, se efectuará mediante el anteriormente definido
ensayo de tracción normalizado en la UNE-EN 10002-1.
El valor de la
tensión última o resistencia a la tracción se calcula a partir de este ensayo,
y se define como el cociente entre la carga máxima que ha provocado el fallo a
rotura del material por tracción y la superficie de la sección transversal
inicial de la probeta, mientras que el límite elástico marca el umbral que, una
vez se ha superado, el material trabaja bajo un comportamiento plástico y
deformaciones remanente.
El coeficiente de Poisson corresponde a la razón
entre la elongación longitudinal y a la deformación transversal en el ensayo de
tracción. Alternativamente el coeficiente de Poisson puede calcularse a partir
de los módulos de elasticidad longitudinal y transversal, según la expresión
siguiente:
ν =
|
E
|
-
|
1
|
||
2 · G
|
Para el acero, toma el siguiente valor:
ν = 0,3
Como en el caso anterior, las expresiones arriba
indicadas del coeficiente de Poisson, ν, son valores constantes siempre
dentro del rango de comportamiento elástico del acero.
La tenacidad a
la fractura del acero define su capacidad a soportar cualquier solicitación
exterior sin que se origine ningún tipo de fractura en el interior del
material. Este es un concepto aparte de la tensión de rotura del material, y
ello es así porque, en ocasiones, la fractura se puede producir con la
aplicación de esfuerzos menores que los que marquen la tensión de rotura del
material, o incluso menores que su límite elástico. Y ello es debido porque
interiormente el material puede contener pequeñas grietas o defectos que son el
germen del inicio de la fractura.
En efecto,
supongamos una pieza sección A0 sometida a un esfuerzo F. El
valor de la tensión normal media en cualquier sección perpendicular al esfuerzo
sería σ = F/A0. Pues bien, si la pieza presenta una pequeña
grieta o defecto, como puedan ser inclusiones de elementos extraños, ocurre
entonces que alrededor de esta discontinuidad se produce un efecto amplifcador,
un aumento del nivel de tensiones normal a que estaría sometida la pieza.
Para calibrar
cuánto se amplifica los niveles de tensiones alrededor de una grieta o
discontinuidad se define el Factor de Intensidad de Tensiones, K, mediante
la siguiente expresión general:
K = f
· σ · √ ( π · a )
donde:
f =
coeficiente adimensional o factor geométrico, que depende de la fuerza aplicada
y la geometría de la pieza;
σ = es el
valor de la tensión normal aplicada;
a = es el
tamaño del defecto. Si el defecto es superficial representa la longitud total
de la grieta, mientras que si la grieta es interior, representa la mitad de su
longitud.
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