Propiedades físicas y mecánicas de los materiales Parte II n Las propiedades...
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Propiedades físicas y mecánicas
de los materiales – Parte II
Propiedades físicas y mecánicas de
los materiales
2.5. Propiedades mecánicas de los materiales
2.5.1 Tensión y Deformación
2.5.2 Elasticidad
2.5.3 Plasticidad
2.5.4 Ductilidad
2.5.5 Tenacidad y Resiliencia
2.5.6 Dureza
2.5.7 Fluencia
2.5.8 Fatiga
Definición
Son propiedades del material relacionadas con su
capacidad de transmitir y resistir fuerzas o
deformaciones
Importancia
Elección del material adecuado para cada aplicación o
proyecto
Modelizar el comportamiento observado en la práctica
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
Determinación
Las propiedades mecánicas generalmente se
determinan mediante ensayos aplicados a
probetas o piezas
Clasificación de los ensayos:
– Destructivos: provocan inutilización parcial o total de la
pieza (tracción, dureza, fatiga, fluencia, torsión, flexión,
impacto)
– No destructivos: no comprometen la integridad de la pieza
(rayos X, ultrasonido, líquidos penetrantes, microdureza)
– Estáticos: carga aplicada lentamente (tracción, compresión,
flexión, dureza)
– Dinámicos: carga aplicada lentamente o de forma cíclica
(fatiga e impacto)
– Carga constante: carga aplicada durante un largo período
(fluencia)
En cuanto
a la
Integridad
En cuanto
a la
velocidad
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.1 Tensión y Deformación
En un sentido simplista, la tensión se puede pensar como
Carga/Área.
De manera similar, deformación es la variación de longitud
del componente/longitud original.
Una tensión puede ser directa, cortante, o torsional –
producen su correspondiente deformación.
La tensión no se puede medir directamente, pero el
alargamiento que tiene sí.
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.1 Tensión y Deformación
Se expresa la carga en Newtons (N) y la Área
en mm2 para obtener la tensión en Mpa.
Tensión: Fuerza por unidad de superficie del sólido
: Tensión (MPa)
F; Fuerza (N)
S: Superficie (mm2)
Unidades: S. I. Pascales (1Pa = 1N/m2). En la práctica:
1 MPa= 1 N/mm2= 10 kp/cm2= 0.1 kp/mm2
N
mm2 MPa
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
Tipos
(a) Tracción
(b) Compresión
(c) Cizalla
(d) Torsión
2.5.1 Tensión y Deformación
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
Load, P
P
Area
Ao
Lo
L/2
L/2
Tensión uniaxial - Tracción
Load, P
P
Area
Ao
Lo
L/2
L/2
Tensión uniaxial- Compresión
Tensión
Deformación
oA
P
oL
L
2.5.1 Tensión y Deformación
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.1 Tensión y Deformación
Ensayo de tracción directa Se somete el material a una carga de tracción creciente que
promueve una deformación progresiva y aumento de
longitud
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
Pinza
Specimen Extensómetro
2.5.1 Tensión y Deformación
• Ensayo de tracción directa
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.1 Tensión y Deformación
• Ensayo de tracción directa
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
Región entre M y F:
•MetalesOcurre el
estrechamiento de la sección
•CerámicaOcurre la
propagación de fisuras
•PolímerosOcurre la
alineación las cadenas
poliméricas que están a punto de
romperse
2.5.1 Tensión y Deformación
• Ensayo de tracción directa
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
Elastic limit
E
Strain (=L/Lo)
Str
ess
(=
P/A
o)
2.5.1 Tensión y Deformación
• Ensayo de tracción directa
Región entre M y F:
•MetalesOcurre el estrechamiento de
la sección
•CerámicaOcurre la propagación de
fisuras
•PolímerosOcurre la alineación las
cadenas poliméricas que están a punto
de romperse
2.5.1 Tensión y Deformación
• Ensayo de tracción directa
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.1 Tensión y Deformación
• Ensayo de compresión
– Se somete el material a una carga de compresión
creciente que promueve una deformación progresiva de
contracción
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
El material vuelve a su configuración inicial
una vez cesa la carga
Deformación elástica es aquella totalmente
recuperable una vez cesa su causa
Está relacionado con la rigidez del material y
con las fuerzas de las ligaciones
interatómicas
1. Inicial 2. Carga 3. Descarga
F
d
F
d
Lineal-
elastica
No-Lineal-
elastica
2.5.2 Elasticidad
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
Módulo de elasticidad:
Ratio entre la tensión aplicada y la deformación
elástica resultante
LA
LFE
0
A
F
0L
L
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.2 Elasticidad
= E
Elástico-
linear
E
F
1
• Módulo de elasticidad:
– Elástico-lineal (mayoría de los materiales)
• Ley de Hooke: Para materiales elásticos la tensión es
linealmente proporcional a la deformación y
independiente del tiempo.
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.2 Elasticidad
0.0100.0080.0060.0040.0020.0000
100
200
300
400
500
CONT INUED
Str
ess
(MP
a)
Strain
MPaMPa
E 52x10)0.0015.0(
)0300(
• Módulo de elasticidad:
– Elástico-lineal (mayoría de los materiales)
• Ley de Hooke: Para materiales elásticos la tensión es
linealmente proporcional a la deformación y
independiente del tiempo.
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.2 Elasticidad
• Módulo de elasticidad:
– Elástico-lineal (mayoría de los materiales)
– Elástico-no lineal (Hormigón y muchos
polímeros)
• Módulo tangente Verificación de tensiones límites
• Módulo secante Verificación de deformaciones en
servicio
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.2 Elasticidad
• Módulo de elasticidad:
– Factores que afectan el módulo de elasticidad
• Temperatura
• Porosidad
• Humedad
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.2 Elasticidad
Temperatura Módulo de elasticidad
Porosidad Módulo de elasticidad
• Coeficiente de Poisson:
– La compresión o tracción de cualquier estructura
cristalina en una única dirección también causa una
deformación en la dirección perpendicular a la de
aplicación de la carga
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.2 Elasticidad
x z
y
z
Valores de ν:
Sin cambio de volumen = 0.5
Polímero = 0.4
Cerámico = 0.2
Mayoría de Metales=0.25 < ν <
0.35 en la región elástica
x
z Deformación Longitudinal
Deformación Lateral
• Módulo de deformación cortante:
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.2 Elasticidad
• Módulo de deformación cortante:
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.2 Elasticidad
Shear Stress, Shear Strain,
Shea
r S
tres
s
Shear Strain
tgG
H
dxtg
12
EG
1. Inicial 2. Carga 3. Descarga
p lanes still sheared
F
d elástica + plástica d plastic
σ
d
d plástica d elástica
• La deformación plástica
produce cambios en la
estructura interna del material
que no se recupera una vez
cesa la carga. (La deformación
queda permanente)
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.3 Plasticidad
Antes de la
deformación
Después de la
deformación
• La deformación plástica
produce cambios en la
estructura interna del material
que no se recupera una vez
cesa la carga. (La deformación
queda permanente)
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.3 Plasticidad
Mayoría Metales - Al, Cu Aleaciones Al Acero bajo carbono
Str
ess
Strain 0.002 0.002 0.002
Sy
Sy
Sy
Elastic Plastic Elastic Plastic
Elastic Plastic
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.3 Plasticidad
Ten
sión
Deformación Plástica
Elástica e p
P
Deformación Total
(,)
ep
e
pe
E
El límite elástico es la
tensión
que produce una
deformación
plástica (permanente)
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.3 Plasticidad
Deformación
Tens
ión
Cargando
Descargando
Cargando
Descargando
Recarga
elastic strain
Deformación
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.3 Plasticidad
Elongación
Reducción Área
EL% L f Lo
Lo x 100
RA% Ao A f
Ao x 100
Lo
Ao
Lf
Af
• Deformación plástica que ocurre hasta el fallo del
material
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.4 Ductilidad
• Ductil x Frágil
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.4 Ductilidad
Dúctil si EL% > 5% (aproximadamente)
Frágil si EL% < 5% (aproximadamente) E
ngin
eerin
g S
tres
s
Engineering Strain
• Ductil x Frágil
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.4 Ductilidad
Dúctil si EL% > 5% (aproximadamente)
Frágil si EL% < 5% (aproximadamente)
%AL reducido
(frágil si %AL<5%)
%AL elevado
(dúctil si %AL>5%)
n
rr K
Material n K (MPa)
Acero con bajo contenido de C 0,26 530
Acero 4340 recocido 0,15 640
Acero inox 304 recocido 0,45 1275
Alumínio recocido 0,2 180
Liga de Alumínio 2024 T 0,16 690
Cobre recocido 0,54 315
Latón 70-30 recocido 0,49 895
•K y n son constantes que dependen
del material
• Tensión Real (teniendo en cuenta la reducción de
la sección transversal)
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.4 Ductilidad
Resiliencia: Una medida de la capacidad de una material
para absorber energía sin sufrir una deformación
permanente o plástica. (J/m3 or N.mm/mm3= MPa)
Tenacidad: Una medida de la capacidad de un material
para absorber energía sin romperse. (J/m3 o
N.mm/mm3= MPa)
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.5 Tenacidad y Resiliencia
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.5 Tenacidad y Resiliencia
X
Resiliencia, Ur
Engineering Strain, = DL/Lo)
Engin
eeri
ng S
tres
s,
=P
/Ao
E
dU
y
yy
o
r
y
2
22
y
E
ey
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.5 Tenacidad y Resiliencia
Tenacidad, Ut
Engineering Strain, e = DL/Lo)
Eng
inee
ring
Str
ess,
S=
P/A
o
100
%
2
)( EL
dU
uy
o
t
f
y
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.5 Tenacidad y Resiliencia
Clasificación de los materiales en función de la ductilidad
Baja tenacidad (polímeros)
Baja tenacidad (cerámica)
Elevada tenacidad (metales)
• Definición:
– Resistencia del material a la deformación plástica
localizada
• La dureza elevada está relacionada con:
– Resistencia a la deformación plástica y fallo por
fisuración
– Mayor resistencia al desgaste
– Mayor resistencia a tracción (Estimación por ensayo
no destructivo)
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.6 Dureza
• Ensayos para medir dureza
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.6 Dureza
Penetrador
d D Medida de la huella
Dureza
d
• Ensayos para medir dureza
– Rockwell: Se determina un nº de dureza a partir de la
diferencia de profundidad de penetración. Los penetradores
son bolas esféricas de acero endurecido.
– Brinell: se fuerza un penetrador duro esférico en la
superficie del metal a ensayar
– Vickers: se fuerza un penetrador en forma de pirámide de
diamante. La marca resultante se observa al microscopio
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.6 Dureza
Brinell Rockwell Vickers
• Ensayos para medir dureza
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.6 Dureza
• Relación entre dureza y resistencia a tracción
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.6 Dureza
• Deformación lenta y progresiva (creciente) con el paso
del tiempo en materiales sometidos a una tensión
constante
• Se determina a tracción, compresión, cizalla y flexión.
• Los tiempos de ensayo son muy largos.
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.7 Fluencia
• Deformación lenta y progresiva (creciente) con el paso
del tiempo en materiales sometidos a una tensión
constante
• Se determina a tracción, compresión, cizalla y flexión.
• Los tiempos de ensayo son muy largos.
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.7 Fluencia
Fluencia
Deformación instantánea
Deformación
Tiempo
A
V0
E
D
C
B
Fluencia primaria
Fluencia secundaria
Fluencia terciaria
RTE
n eAt
V
0
n
r at
• Ensayos para determinar la fluencia
– Método: Medir deformaciones con el tiempo en probetas
en condición de tensión y temperatura constante
– Resultados: Curva tensión-tiempo
– Principales parámetros: V0 y tr
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.7 Fluencia
Deformación
T1 = 10ºC
Tiempo
T2 = 20ºC
T3 = 30º C
T4 = 40ºC
Temperatura
Deformación
V0
tr
• Factores que afectan la fluencia
– Temperatura
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.7 Fluencia
• Factores que afectan la fluencia
– Temperatura
– Tensión
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.7 Fluencia
Deformación
σ1 = 10 MPa
Tiempo
σ2 = 20 MPa
σ3 = 30 MPa
σ4 = 40 MPa
Tensión
Deformación
V0
tr
• Fallo debido a la variación cíclica de tensiones
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.8 Fatiga
Cuidado!
Aparición de 1ª fisura
Propagación Fallo
• Fallo debido a la variación cíclica de tensiones
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.8 Fatiga
Tensión
Tiempo
σm
ax
σm
ax
σm
in
σm
in
Δσ
Período
σm
edia
• Proceso de fractura
– Deformación plástica
– Nacimiento de la fisura (5-10% del tiempo total)
– Desarrollo de la fisura y expansión
– Fractura rápida
– Las fisuras crecen perpendicularmente a la tensión. Solamente
crecen los más agudos.
• Fractura típica a fatiga
– Comienza por la superficie.
– tracción fatiga< tracción estático
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.8 Fatiga
• La rotura se produce en dos formas:
– Fatiga por ciclos cortos: La tensión máxima en cualquier
ciclo es mayor a la tensión de plastificación y menor a la
resistencia a tracción estática y el número de ciclos de
carga es menor que 1000.
– Fatiga por ciclos largos: la tensión máxima es inferior a la
tensión de plastificación. Se necesitan 105- 106 ciclos de
carga.
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.8 Fatiga
Metales ferrosos y aleaciones
Resistencia límite
Límite de fatiga
Amplitud de tensión (Δσ)
Número de ciclos de carga (log N)
1 10 100
Mayoría de los materiales
Vida útil límite
Nk a
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.8 Fatiga
Metales ferrosos y aleaciones Límite de
fatiga
Amplitud de tensión
Número de ciclos de carga (log N)
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.8 Fatiga
Resistencia para vida útil límite
Resistencia límite
Amplitud de tensión
Número de ciclos de carga (log N)
Mayoría de los materiales
Vida útil límite
Vida útil para resistencia
límite
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.8 Fatiga
• Factores que afectan la fatiga:
– Temperatura
– Amplitud de tensiones
– Período de los ciclos (Frecuencia)
– Efectos de superficie
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.8 Fatiga
Con esquinas
Redondeados
• Mejora la resistencia a fatiga
– Mejora del diseño: Reducir los cambios de sección
bruscos, redondear los contornos
– Mejora de los métodos de elaboración
– Aumento de la resistencia a tracción: mejor aleación
– Endurecimiento superficial
– Inducción de compresión en la superficie
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
2.5.8 Fatiga
Con esquinas
Redondeados
Elasticidad – Módulo de elasticidad o Módulo de Young (MPa)
Resistencia – Plástica, Última, Fractura. Medido como tensión (MPa)
Ductilidad – Medida de la habilidad de deformar plásticamente sin fractura - Alargamiento, reducción de área, Deformación de fractura - (no unidades o mm/mm)
Tenacidad, Resiliencia – Medición de la habilidad para absorber energía (J/m3).
Dureza - Resistencia a la deformación plástica localizada (Varias escalas, p.e.; Rockwell, Brinell, Vickers.)
Fluencia- Lenta y progresiva deformación de un material con el tiempo
Fatiga – Rotura debido a cargas cíclicas
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas