propiedades físicas y mecánicas de los materiales parte ii n las propiedades...

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