Propiedades y Comportamiento de Materiales y Uniones Soldadas ante Variaciones Térmicas

Temario General de Materiales y Uniones Soldadas

1. Ensayos y Propiedades de Materiales

• Ensayo de tracción
• Factores de vida a fatiga de materiales
• Factores de fatiga en uniones soldadas
• Fenómeno de fatiga
• Curvas S-N en ensayo de fatiga

2. Métodos de Mejora y Consideraciones de Diseño en Uniones Soldadas

• Métodos de mejora de uniones soldadas
• Preparación de bordes
• Constantes elásticas de materiales
• Recipientes a presión
• Termofluencia
• Efecto de la soldadura en la resistencia a fatiga
• Tipos de cargas

3. Diseño y Cálculo de Uniones Soldadas

• Consideraciones de diseño en uniones soldadas
• Importancia del correcto diseño de la unión
• Funciones de la junta soldada
• Recomendaciones de diseño
• Cálculo de uniones soldadas
• Elementos críticos en uniones soldadas
• Caracterización geométrica del cordón
• Teorías de rotura: flexión, dúctil, frágil, pandeo

4. Tipos de Fractura y Uniones Específicas

• Tipos de fractura
• Uniones viga-pilar
• Tipos de uniones soldadas (cálculo)
• Uniones que no requieren cálculo
• Tipos de uniones

Comportamiento de los Materiales a Temperatura

El comportamiento de los materiales se debe, sobre todo, a sus propiedades intrínsecas, pero este comportamiento puede variar mucho debido a la temperatura, a la velocidad de aplicación de cargas y al estado tensional en el que estos se encuentren.

Ensayos para Caracterización Térmica

Para conocer estos comportamientos se realizan ensayos, principalmente el de Charpy, y los valores resultantes dependerán en gran medida no solo del material, sino de las condiciones en las que se realicen estos ensayos.

Fragilidad a Bajas Temperaturas y Zona de Transición

La mayoría de los aceros sufren un aumento de fragilidad a temperaturas bajas. Debido a esto, es normal que cuando se dan los resultados de resiliencia de un material se indique la temperatura a la que fue realizado el ensayo. Esta fragilidad aumenta también con la velocidad de aplicación de las cargas y con estados triaxiales de tensiones. A medida que va bajando la temperatura de un material dúctil, se llega a una en la que este empieza a dejar de comportarse como tal y empieza a comportarse frágilmente. Esta zona en la que un material empieza a dejar de comportarse dúctilmente y empieza a comportarse frágilmente se llama zona de transición. Un material que muestra un comportamiento así nunca debe utilizarse en temperaturas inferiores a la de transición para evitar roturas frágiles en servicio.

Influencia de la Estructura Cristalina

Este fenómeno se observa sobre todo en los aceros ferríticos (estructura cúbica centrada en el cuerpo - BCC). En cambio, las estructuras cúbicas centradas en las caras (FCC), como los inoxidables austeníticos o el aluminio, se comportan de manera tenaz a cualquier temperatura. Los materiales con estructuras hexagonales suelen tener comportamientos frágiles a cualquier temperatura.

Factores que Afectan la Temperatura de Transición

El contenido de carbono en los aceros, el grado de impurezas que contenga y su tamaño de grano, son factores que influyen mucho en su temperatura de transición. Cuanto más carbono, mayor temperatura de transición y menores prestaciones de los aceros. Por eso se persigue diseñar aceros con el mínimo contenido de carbono posible para el uso que se le quiere dar. Cuantas más impurezas y mayor sea el tamaño de grano contenga el material, ocurrirá lo mismo: su temperatura de transición aumenta y las prestaciones disminuyen.

Comportamiento a Altas Temperaturas: Fluencia (Creep)

A temperaturas altas, los aceros también sufren transformaciones, sobre todo en su límite elástico, el cual disminuye notablemente al aumentar la temperatura. A partir de cierta temperatura, algunos materiales sufren lo que se conoce como “fluencia o creep”. La deformación plástica de estos materiales a cierta temperatura ya no depende solo de la carga aplicada, como sucede a temperatura ambiente, sino que depende del tiempo que esta carga sea aplicada (no hace falta aumentarla) y de la temperatura a la que se encuentra el material.

Fases del Proceso de Fluencia

• La Región I, donde la velocidad de deformación es decreciente.
• En la Región II, se presenta una velocidad de deformación mínima.
• La Región III, donde la velocidad de deformación aumenta rápidamente y tiene lugar la rotura del material.

Aceros Especiales para Bajas y Altas Temperaturas

Aceros para Bajas Temperaturas

• Aceros limpios, con poco azufre y fósforo.
• Bajo carbono y tamaño de grano pequeño.
• Aceros con temple y revenido.
• Aceros de matriz austenítica.

Aceros para Altas Temperaturas

• Resistencia a oxidación.
• Estabilidad térmica (microestructura estable).
• Resistencia a fatiga térmica.
• Grano grande para trabajar a fluencia.
• Aceros de molibdeno, Cr-Mo, inoxidables, níquel.