Aceros de Fácil Mecanización y Capa Límite: Propiedades, Factores e Influencia en Fluidos

Aceros de Fácil Mecanización

La maquinabilidad es la facilidad de un material para adquirir forma, tamaño y acabado mediante operaciones de corte.

Evaluación de la Maquinabilidad

• Duración de la herramienta
• Velocidad de la herramienta
• Consumo de energía
• Viruta
• Acabado

Orden de Maquinabilidad (de mejor a peor)

Acero de fácil mecanizado > Acero al carbono > Aceros aleados de construcción (Acero martensítico, Acero ferrítico y Acero austenítico).

Factores que Influyen en la Maquinabilidad

• Dureza y resistencia a la cortadura del material
• Impurezas abrasivas
• Estructura (grano grueso es mejor)
• Tamaño de la viruta (cuanto más pequeña, menos fricción y menos desgaste)

Características de los Aceros de Fácil Mecanización

• Propiedades mecánicas mediocres
• Elevada producción y velocidad de mecanizado (menos costes)
• Baja dureza por el S y P

Elementos de Aleación en Aceros de Fácil Mecanización

1. C: 0.16% (valor óptimo)
2. Si, Al: 0% (abrasivos)
3. Mn
4. S: Siempre acompañado del Mn (atrapa al azufre), 0.15-0.30% facilita el mecanizado
5. P: 0.1-0.15% hace la viruta más corta y discontinua
6. Pb, Bi: No se disuelven, lubricantes
7. Se, Te: 0.03-0.06% mejora el mecanizado, hace el MnS más pequeño

Aceros Calmados

Un acero calmado es aquel que ha sido desoxidado antes de la colada. Esto se hace añadiendo aluminio en polvo o ferroaleaciones de manganeso o Si. Para aceros de fácil mecanización se utiliza el manganeso ya que el aluminio o silicio son muy abrasivos, y el manganeso reduce un poco la dureza. Si hubiese que utilizar ferroaleaciones de Al o Si utilizaríamos CaSi porque produce un compuesto más blando y menos abrasivo.

Sulfuro de Manganeso (0.15-0.3%)

Facilita el mecanizado y el acabado porque actúa como concentrador de tensión cuando la herramienta corta, reduciendo así la fricción y produciendo viruta corta y discontinua.

Plomo (0.15-0.3%)

Mejora la maquinabilidad y el acabado superficial debido a que es insoluble en el acero y a que funde a baja temperatura, por lo que actúa como lubricante. Hay que ir dosificando para evitar segregaciones. Es tóxico en estado líquido por sus vapores y rodea al MnS. Rentable cuando hay viruta >20% de la pieza.

Capa Límite

Es aquella en la que los efectos de la viscosidad son más intensos por ser muy grande el gradiente de velocidad que en ella se genera. Cerca de las paredes existe una zona donde la velocidad sufre variaciones del orden de ella misma en distancias (delta).

Capa Límite Laminar (CCL)

No existe mezclado de fluido en dirección transversal, perfil de velocidad parabólico (U/Ue=f(y/delta)^1/n ), Rec < 5*10^5.

Capa Límite Turbulenta (CCT)

Existe mezclado de fluido en dirección transversal, perfil de velocidad exponencial (U/Ue=f(y/delta)^1/n), n E (7 , 10) , Rec > 5*10^5.

1. Irregularidades: Movimiento caótico e imprevisible.
2. Número de Re altos.
3. Difusividad: Aumentan los fenómenos del transporte.
4. Tridimensionalidad: Fluctúa en las 3 dimensiones.
5. Disipación: Existe una pérdida de energía cinética que se transforma en calor debido a los efectos viscosos. Se traduce en un aumento del espesor de capa límite (delta).

Delta *: Distancia que habría que desplazar la pared hacia el interior que pasa por la capa límite original (fórmula).

Espesor de Cantidad de Movimiento (O): Distancia que debe desplazarse la pared hacia el interior del fluido para que pase por la sección disponible un flujo de cantidad de movimiento = al que pasa por la capa límite original (fórmula).

Factor de Forma (H): (Fórmula).

Regiones de la Capa Límite Turbulenta (CLT)

1. Región Exterior: Donde la turbulencia es elevada y existe un gran intercambio energético.
2. Región Interior: Donde predominan las fuerzas viscosas (subcapa viscosa).

Capa de Transición: Zona pequeña sin perfil de velocidades definido.

Capa Logarítmica: Donde el flujo es turbulento y el perfil de velocidad logarítmico.

Nikuradse

Ingeniero alemán conocido por sus experimentos con tubos de diversos diámetros (D) en cuyo interior pegó granos de arena de granulometría uniforme con el fin de obtener un patrón de rugosidad relativa (K/D) definida de tal manera que variando el (Q) en los diferentes tubos se obtenía un barrido de Re en función del diámetro (D).

Resultados

1. Re<2300 (laminar): el factor de fricción (f) varía de forma lineal.
2. Con flujo turbulento la variación de (f) es compleja:
   • Cerca de Re crítico, todas las curvas coinciden.
   • Los tubos con mayor rugosidad relativa se separan más rápidamente de la curva lisa.
   • Una vez separado la (f) es una función compleja de la rugosidad relativa y del Re.
   • Al aumentar Re las curvas se vuelven horizontales y (f) sólo depende de la rugosidad relativa y es independiente del Re.

Diagrama de Moody

Lewis F. Moody basándose en los trabajos de Nikuradse y Colebrook sobre pérdidas por fricción en tubos de rugosidad reales y no artificiales, especialmente la fórmula establecida por Colebrook donde combinó las relaciones de paredes lisas y el flujo dominado por la rugosidad en una única fórmula que Moody se encargó de representar en un diagrama (Diagrama de Moody). Con el diagrama de Moody podemos calcular (f) u otra variable como (Q), (V), (Hf), (L), etc. Si nos piden (h), (L) y conocemos el resto de datos entraremos en Moody con (K) y con Re para sacar (f), y después calcularemos (h) o (L). En cambio si me piden (Q) o (Delta), tendremos que iterar. Con (K) sacamos un valor aproximado de (f), luego se sacará (V) o (Delta) y ya poder entrar con Re y calcular (f). Repitiendo esta operación hasta que el resultado de (f) sea casi idéntico. Estas investigaciones son válidas para flujos hidráulicamente rugosos. Además puede ser utilizado por conductos no circulares y circulares de sección constante (dibujo).

Cuerpo Inmerso en Corriente Fluida

Cuando un cuerpo se sumerge en una corriente fluida, éste ejercerá sobre el cuerpo fuerzas y momentos. Las fuerzas y momentos actúan según los 3 ejes coordenados, aunque es costumbre elegir el // a la corriente no perturbadora. En este eje la fuerza se denomina resistencia o arrastre, la cual corresponde a una pérdida de cantidad de movimiento y debe vencerse para que el cuerpo avance según la corriente. Una segunda componente muy importante es la que es normal al peso, se denomina sustentación y es perpendicular a la resistencia (puede ser ascendente o descendente dependiendo de la geometría del cuerpo. La sustentación y el coeficiente de sustentación dependen directamente del ángulo de ataque, aumentando según aumenta este hasta alcanzar un ángulo de ataque crítico (L=CL*1/2*Densidad*U^2*AP). La tercera componente es la F. Lateral. Normalmente cuando el cuerpo es simétrico las fuerzas se reducen a la de resistencia y sustentación, además si tiene dos planos de simetría y la corriente no perturbada es // al eje de intersección de los planos se simplifica aún más, quedando sólo la resistencia que se calcula (FD=1/2*Densidad*U^2*A*CD). De donde destacan los parámetros (CD) coeficiente de resistencia, y (A), área característica proyectada perpendicular a la fuerza. CD cuantifica el arrastre o resistencia de un objeto frente a una corriente fluida. Esta resistencia total de un cuerpo consiste en la suma de la resistencia de forma, de fricción, inducida y otras.

Resistencia de Forma

Es la resistencia provocada por la diferencia de presiones altas en la región frontal de remanso y las bajas presiones en la región posterior del cuerpo donde la corriente está desprendida (CP=P-Pinfinito/(1/2)*densidad*U^2) donde (P) es la P frontal y (Pinf) la presión y la (U) la velocidad no perturbada. (El flujo laminar es muy vulnerable a los gradientes adversos en la parte posterior del cuerpo. Para reducirlo el flujo debe ser turbulento).

Resistencia de Fricción

Componente debida al esfuerzo cortante debido a los esfuerzos viscosos sobre la superficie del cuerpo. Cuanto mayor es la viscosidad del fluido mayor espesor de capa límite.

Resistencia Inducida

Resistencia generada por la sustentación de ahí a que sea directamente proporcional al ángulo de incidencia (mayor sustentación, mayor resistencia inducida).

Flujo de Fanno (Mach - S)

Estudiaremos un flujo mediante Fanno cuando este sea compresible, isotermo y con rozamiento (dibujo). Cuando estemos en la línea superior estaremos ante un (M<1). Aquí la densidad, la entalpía y la presión irán disminuyendo según aumentamos la entropía. Sin embargo la (S) y (Mach) irán aumentando hasta alcanzar (M=1), en el que parará de aumentar llegando así al estado de bloqueo. Por otro lado en la línea inferior con (M>1) la densidad, la entalpía y la presión irán aumentando según aumentas la entropía mientras que el volumen y el número de Mach disminuyen hasta alcanzar (M=1), alcanzando así el estado de bloqueo. Cuando se alcanza el estado de bloqueo (M=1), significará que el gas ya ha salido del conducto, es decir, será el final del conducto.

Flujo de Rayleigh (H - S)

Estudiaremos un flujo de Rayleigh cuando en este se haya una adición de calor y no haya rozamiento.

En la línea donde (M<1), es decir, subsónico, el número de Mach irá aumentando al recibir calor. Sin embargo en la parte donde (M>1), supersónico, el número de Mach irá disminuyendo a medida que va recibiendo calor. Cuando se llega al máximo calor que se puede añadir, se produce el llamado bloqueo térmico. También se puede apreciar como al aportar calor la entalpía de remanso va aumentando.