PROPIEDADES MECANICAS
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PROPIEDADES MECANICAS Las propiedades mecánicas de un material describen el modo en que este responde a la aplicación de una fuerza o carga. Solamente se pueden ejercer tres tipos de fuerzas mecánicas que afecten a los materiales: compresión, tensión y cizalla. En la figura se muestra la acción esas tres fuerzas: Los tres tipos de tensió n Las pruebas mecánicas consideran estas fuerzas por separado o combinadas. Las pruebas de tracción, compresión y cizalla sirven sola para medir una fuerza, mientras que las de fleión, impacto y dureza implican dos o más fuerzas simultáneas. Resistencia a la tracción y elongación de rotura La resistencia a la tracción o tenacidad es el máimo esfuerzo que un material puede resistir antes de su rotura por estiramiento desde ambos etremos con temperatura, !umedad y velocidad especificadas. El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo aial de tracción creciente !asta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a u na fuerza estática o aplicada lentamente. Dispositiv o para ensayo de tracción Probeta y mord azas
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PROPIEDADES MECANICAS
Las propiedades mecánicas de un material describen el modo en que este responde a la aplicación
de una fuerza o carga. Solamente se pueden ejercer tres tipos de fuerzas mecánicas que afecten a
los materiales: compresión, tensión y cizalla. En la figura se muestra la acción esas tres fuerzas:
Los tres tipos de tensión
Las pruebas mecánicas consideran estas fuerzas por separado o combinadas. Las pruebas de
tracción, compresión y cizalla sirven sola para medir una fuerza, mientras que las de fleión,
impacto y dureza implican dos o más fuerzas simultáneas.
Resistencia a la tracción y elongación de rotura
La resistencia a la tracción o tenacidad es el máimo esfuerzo que un material puede resistir antes
de su rotura por estiramiento desde ambos etremos con temperatura, !umedad y velocidad
especificadas.
El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo
aial de tracción creciente !asta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la
resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente.
Dispositivo para ensayo de tracción
Probeta y mordazas
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Máquina para ensayo de tracción
Probetas normalizadas
Elongación o etensión es el máimo esfuerzo de tracción a que un material puede estar sujeto
antes de su rotura.
"nidades: #ara la resistencia a la tracción, el esfuerzo es la relación de la carga sobre el área de la
sección transversal inicial y se epresa com$nmente en #a %pascales&. La etensión o aumento en
longitud se epresa en porcentaje del largo inicial.
La resistencia a la tracción y la deformación a la rotura, respectivamente indican el máimo
esfuerzo que el material puede soportar. 'urvas t(picas basadas en datos eperimentales muestranlos valores reales.
Curva tensión-deforación
En el ensayo a la tracción se mide la deformación %alargamiento& de la probeta entre dos puntos
fijos de la misma a medida que se incrementa la carga aplicada, y se representa gráficamente en
función de la tensión %carga aplicada dividida por la sección de la probeta&. En general, la curva
tensión)deformación as( obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas:
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Zonas de curva de tensión-deformación
Evolución de las probetas rectangulares durante el ensayo de tracción (la zona central es la que soporta mayor deformación, y por esa
zona se romperá!
*. +eformaciones elásticas: en esta zona las deformaciones se reparten a lo largo de la probeta,son de pequea magnitud y, si se retirara la carga aplicada, la probeta recuperar(a su forma inicial
%recuperación elástica %*&&. El coeficiente de proporcionalidad entre la tensión y la deformación se
denomina módulo de elasticidad %-& o de oung y es caracter(stico del material. La tensión más
elevada que se alcanza en esta región se denomina l(mite de fluencia %yield point& y es el que
marca la aparición de este fenómeno.
-. /luencia o cedencia. Es la deformación brusca de la probeta sin incremento de la carga
aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleación
bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, mecanismo mediante
el cual el material se deforma plásticamente. 0lcanzado el l(mite de fluencia se logra liberar las
dislocaciones produci1ndose la deformación bruscamente. La deformación en este caso tambi1n
se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta pero concentrándose en las zonas en las quese !a logrado liberar las dislocaciones. 2o todos los materiales presentan este fenómeno, en cuyo
caso la transición entre la deformación elástica y plástica del material no se aprecia de forma clara.
3. +eformaciones plásticas: si se retira la carga aplicada en dic!a zona, la probeta recupera sólo
parcialmente su forma quedando deformada permanentemente. Las deformaciones en esta región
son más acusadas que en la zona elástica.
4. Estricción. Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran en la parte central de
la probeta apreciándose una acusada reducción de la sección de la probeta, momento a partir del
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cual las deformaciones continuarán acumulándose !asta la rotura de la probeta por esa zona. La
estricción es la responsable del descenso de la curva tensión)deformación5 realmente las tensiones
no disminuyen !asta la rotura, sucede que lo que se representa es el cociente de la fuerza aplicada
%creciente& entre la sección inicial y cuando se produce la estricción la sección disminuye, efecto
que no se tiene en cuenta en la representación gráfica. Los materiales frágiles no sufren estricción
ni deformaciones plásticas significativas, rompi1ndose la probeta de forma brusca. 6erminado el
ensayo se determina la carga de rotura, carga $ltima o resistencia a la tracción: la máima resistida
por la probeta dividida por su sección inicial, el alargamiento en %7& y la estricción en la zona de la
rotura.
8tras caracter(sticas que pueden caracterizarse mediante el ensayo de tracción son la resiliencia y
la tenacidad, que son, respectivamente, las energ(as elástica y total absorbida y que vienen
representadas por el área comprendida bajo la curva tensión)deformación !asta el l(mite elástico
en el primer caso y !asta la rotura en el segundo.
"urvas de tensión-deformación para distintas clases de plástico
Norativa para ensayo de tracciónLa norma 0S69 es + 3; %+ 3; 9 es m1trica&. La unidad S< es el pascal %#a=2>m-&, pero
tambi1n se usa la libra por pulgada cuadrada %psi&. Los plásticos comerciales sin plastificar ni llevar
fibras muestran desde *4 !asta *4? 9#a %- a -? psi&.
!"# Recuperación el$stica
La recuperación elástica es una medida de la etensión a la cual una sustancia recupera sus
dimensiones originales luego de retirado el esfuerzo. Es la fracción de una dada deformación que
se comporta elásticamente. "n material perfectamente elástico tiene una recuperación del *??7
mientras que un material perfectamente plástico no tiene recuperación elástica.
La recuperación elástica es una importante propiedad en pel(culas usadas para el envasado
@stretc!@ por relacionarse directamente con la !abilidad de una pel(cula para mantener junta a la
carga. La retención del esfuerzo elástico ) recuperación por un per(odo de tiempo es tambi1n
importante.
!%# Módulo de elasticidad
El módulo de elasticidad es la razón de esfuerzo a deformación o esfuerzo por unidad de
deformación medido dentro de los l(mites de la deformación reversible. La medida en las tablas es
el módulo de oung, que es la relación entre tensión %esfuerzo& y etensión %deformación&
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=/L>al%
+onde el esfuerzo es representado por la fuerza & por unidad de área sobre la sección inicial a y el
esfuerzo medido como la etensión I producida al largo inicial '. El módulo de oung tiene las
dimensiones de: esfuerzo %#a& > deformación %m>m&.
En la práctica materiales que muestran apreciable reversibilidad generalmente rompen a pocaetensión. #ara materiales que muestran fluencia plástica este módulo se puede aplicar solamente
en la porción inicial de la curva.
El valor del módulo de oung indica la resistencia de un material a una etensión longitudinal
reversible y es un parámetro $til para predecir !asta que punto se estirará una pieza bajo una
carga determinada.
Resistencia a la a(rasión
Se llama resistencia a la abrasión a la !abilidad de un material para resistir acciones mecánicas
como frotamiento, rascado, molienda, arenado o erosión que tiende progresivamente sacar
material de su superficie. Las normas 0S69 son la + *?44 y la + *-4-.
La abrasión, desgaste de superficies, se relaciona con la fricción. #ropiedad compleja, es dif(cil deanalizar y medir. #ese a que varias máquinas se !an propuesto para los ensayos acelerados,
ninguno es a$n satisfactorio.
En los plásticos, la abrasión o resistencia al uso es importante en casos como cojinetes,
rodamientos y engranajes.
#bras$metro
Las ruedas de desgaste producen la acción caracter(stica de frote.
9ontado en una superficie rotativa, las muestras son epuestas a la acción de rozamiento de dos
muelas abrasivas. Las muelas producen marcas de abrasión que forman un modelo de arcos
cruzados sobre un anillo circular de aproimadamente 3? cm-.
Esto revela la resistencia a la abrasión en todos los ángulos en relación con el desgaste ó el grano
del material
6ipos de discos o muelas abrasivas
Las ruedas de abrasión, por lo general, se presentan en A niveles diferentes de abrasividad.
Las ruedas de fieltro de lana o de cauc!o simple se emplean para realizar pruebas con materialesdelicados o comprobar la abrasividad de materiales como polvos dentales. Las ruedas que
incorporan part(culas abrasivas en una matriz resistente de cauc!o o una matriz de arcilla
vitrificada son indicadas para materiales más r(gidos.
) 'alibrase: una rueda resistente compuesta de part(culas abrasivas de cauc!o y óido de
aluminio.
) 'alibrade: una rueda no resistente compuesta de part(culas abrasivas de arcilla vitrificada y
carburo de silicio.
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) /ieltro de lana: no contiene part(culas abrasivas.
) 'auc!o simple: no contiene part(culas abrasivas a menos que se utilice con tiras de papel de lija.
) 'arburo de 6ungsteno: acción severa de corte y desgarre con dientes !elicoidales para uso con
materiales resistentes como el cauc!o, pieles o revestimiento para suelos.
Resistencia a la copresión
La resistencia a la compresión es el máimo esfuerzo que un material r(gido puede resistir bajo
compresión longitudinal. 2o es necesario el esfuerzo en el punto de rotura, pero es de significación
en materiales que quebrantan bajo una cierta carga. La unidad es fuerza por unidad de área de
sección transversal inicial, epresada como #a.
El ensayo de compresión es un ensayo t1cnico para determinar la resistencia de un material o su
deformación ante un esfuerzo de compresión. En la mayor(a de los casos se realiza con
!ormigones y metales %sobre todo aceros&, aunque puede realizarse sobre cualquier material.
B Se suele usar en materiales frágiles.
B La resistencia a compresión de todos los materiales siempre es mayor que a tracción.
Se realiza preparando probetas normalizadas que se someten a compresión en un dispositivo para
ensayo de compresión o una máquina universal de ensayos.
Dispositivo para ensayo de copresión
Ensayo de compresión en concreto
El ensayo de compresión tambi1n puede aplicarse a productos confeccionados con elastómeros
destinados a contener aire en su interior tales como balones de f$tbol o neumáticos. En los cuales
es $til conocer cuanta presión son capaces de resistir sin deformación permanente o cuanta
presión son capaces de resistir sin romperse o estallar.
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Ensayo de compresión a balón de f%tbol
8tros ensayos de compresión es aplicado a envases plásticos para la industria alimentica.
Máquina para ensayo de compresión
Resistencia a la fle)ión
La resistencia a la fleión estática, tambi1n conocida como módulo de rotura, representa el máimo
esfuerzo desarrollado en la superficie de la probeta en forma de barra, soportada cerca del etremo
y cargada en el centro !asta que ocurra la falla. La unidad es fuerza por unidad de área, en #a. El
ensayo es aplicable solamente a materiales r(gidos.
Dispositivo para ensayo de fle)ión
Ensayo de fle)ión
Los ensayos de fleión se utilizan principalmente como medida de la rigidez. Este ensayo es casi
tan !abitual en materiales polim1ricos duros como el ensayo de tracción, y tiene las ventajas de
simplificar el mecanizado de las probetas y evitar los problemas asociados al empleo de mordazas.
Entre las principales limitaciones se encuentra la imposibilidad de obtener información relevante en
materiales polim1ricos blandos como son las espumas fleibles y los cauc!os.
El parámetro más importante que se obtiene de un ensayo de fleión es el módulo de elasticidad
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%tambi1n llamado módulo de fleión&. En función del n$mero de puntos de apoyo pueden realizarse
varios tipos de ensayos de fleión: fleión entres puntos, en cuatro puntos o incluso fleión de una
viga en voladizo.
Ensayo de fle&ión
Resistencia al ipacto
La resistencia al impacto representa la resistencia o tenacidad de un material r(gido a la repentina
aplicación de una carga mecánica. Es convencionalmente determinado por medición de la energ(a
requerida para fracturar una probeta bajo condiciones normalizadas.
La energ(a absorbida en la fractura de la probeta estándar se epresa en Coule>m.
El impacto es convenientemente obtenido por la ca(da de un p1ndulo. La probeta se mantiene de
forma tal que sea rota por un simple vaiv1n. +os tipos principales de máquinas de ensayo son
usadas:
%*& La <zod en la cual una barra es fijada por un etremo como una viga en voladizo vertical y
golpeada a una dada distancia encima de una especificada muesca, a trav1s de la barra
%-& La '!arpy, donde la probeta esta en forma !orizontal y soportada cerca de cada etremo y
golpeada en el centro.
La máquina pendular es práctica en el uso como control.
Dispositivo para ensayo de ipacto
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Maquina de ensayo de impacto ('zod
Dure*a
La dureza epresa la resistencia a la deformación. Es una propiedad compleja y cuando se accedea m1todos por indentación o penetración, factores como módulo elástico, resistencia al flujo,
plasticidad y tiempo quedan involucrados.
Las unidades de dureza derivan de la profundidad, anc!o o área de la indentación realizada con
alguna forma de estilo cargado. Son numerosos los aparatos propuestos y usados.
urómetro!
La dureza 9o!s es cualitativa, basada en una creciente de resistencia al rayado por minerales,
desde talco %*& !asta diamante %*?&.
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La Drinell, por impresión de una bola de acero duro, igual que la ocFGell es por penetración de un
penetrador de punta semiesf1rica.
+ependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, eisten diferentes
escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza.
Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes:
B +ureza Drinell: Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de H. #ara materiales
duros, es poco eacta pero fácil de aplicar. #oco precisa con c!apas de menos de mm de
espesor. Estima resistencia a tracción.
B +ureza Inoop: 9ide la dureza en valores de escala absolutas, y se valoran con la profundidad de
seales grabadas sobre un mineral mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le
ejerce una fuerza estándar.
B +ureza ocFGell: Se utiliza como punta un cono de diamante %en algunos casos bola de acero&.
Es la más etendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de
materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeo tamao de la !uella.
B ocFGell superficial: Eiste una variante del ensayo, llamada ocFGell superficial, para la
caracterización de piezas muy delgadas, como cuc!illas de afeitar o capas de materiales que !an
recibido alg$n tratamiento de endurecimiento superficial.
B +ureza osiGal: 9ide en escalas absoluta de durezas, se epresa como la resistencia a la
abrasión medias en pruebas de laboratorio y tomando como base el corindón con un valor de *???.
B +ureza S!ore: Emplea un escleroscopio. Se deja caer un indentador en la superficie del materialy se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. 0 mayor rebote, mayor dureza.
0plicable para control de calidad superficial. Es un m1todo elástico, no de penetración como los
otros. Eisten durómetros portátiles.
B +ureza JicFers: Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide cuadrangular. #ara
materiales blandos, los valores JicFers coinciden con los de la escala Drinell. 9ejora del ensayo
Drinell para efectuar ensayos de dureza con c!apas de !asta -mm de espesor.
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B +ureza Hebster: Emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas de dif(cil
manejo como perfiles largos etruidos. El valor obtenido se suele convertir a valores ocFGell.
#ara los plásticos blandos o fleibles se usan los durómetros S!ore.
Kay dos tipos de durómetros S!ore, al 0 y el +. En el tipo 0 se utiliza un penetrador con forma de
varilla roma para probar los plásticos blandos. En el tipo + se emplea un penetrador con varilla
puntiaguda para medir los materiales más duros. Se aplica una fuerza de *-,A 2 en S!ore 0 y de
A? 2 en s!ore +. Las lecturas son rápidas y sencillas se apoya el aparato sobre el material, se
!ace presión manual %entre * y *? segundos& y se toma el valor Las escalas van de ? a *??.
&ricción
La fricción o resistencia al deslizamiento es una importante propiedad en ingenier(a, pol(meros
orgánicos y tetiles. Es independiente de la aparente área de contacto pero proporcional a la carga
aplicada. "sualmente se epresa como
/ = y
+onde / es la fricción limitante %fuerza opuesta al deslizamiento, es la normal reacción %carga
sobre la superficie de contacto& e y un coeficiente representando la fuerza de la fricción por unidad
de carga.
La mayor(a de los plásticos tienen un coeficiente de fricción entre ?,- y ?,;.
Entre los plásticos, el politetrafluoroetileno es $nico en mostrar ecepcional bajo coeficiente de
fricción en cualquier combinación %?,?4 o menos&.
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La acumulación de electricidad estática en los plásticos por fricción y la mala conductibilidad de los
pol(meros suele ser un problema.
Jolver a #ropiedades y ensayos
