Tema 1. Propiedades mecánicas dos materiais

O comportamento mecánico dun material reflexa a relación entre a forza aplicada e a resposta do material.

As propiedades mecánicas máis importantes son a resistencia, a dureza, a ductilidade e a rixidez.

1. Concepto de esforzo de deformación

Se unha carga é estática ,ou cambia de forma relativamente lenta co tempo, e é aplicada uniformemente

sobre unha sección ou superficie, o comportamento mecánico pode ser estimado mediante un simple ensaio

esforzo-deformación, a temperatura ambiente.

Hai tres formas de aplicar a carga: tracción, compresión e cizalladura. En enxeñaría, moitas cargas son

torsionais mías que de cizalladura pura.

a) Ensaios de tracción

Poden ser empregados para determinar varias propiedades dos materiais que son importantes para o deseño.

Normalmente defórmase unha probeta, circular ou rectangular, ata a rotura cunha carga de tracción que

aumenta gradualmente e que é aplicada ao longo do eixe da probeta. A deformación está confinada na rexión

máis estreita do centro. O ensaio é destrutivo, a probeta é deformada de forma permanente ou rompe.

A carga e o alongamento son normalizados para obter os parámetros tensión nominal, σ (MPa), e

deformación nominal, є.

𝜎 =𝐹

𝐴0

F= carga instantánea aplicada perpendicularmente á sección da probeta (N).

A0= área da sección orixinal antes de aplicar a carga (m2).

𝜖 =𝑙𝑖 − 𝑙0𝑙0

=∆𝑙

𝑙0

l0= lonxitude orixinal antes de aplicar a carga (m).

li= lonxitude instantánea.

b) Ensaios de compresión

𝜏 =𝐹

𝐴0

τ= Tensión de cizalladura (MPa)

F= carga imposta paralelamente ás caras superior e inferior.

A torsión é unha variación da cizalladura pura, produce un movemento rotacional arredor do eixo

lonxitudinal dun extremo do membro fronte ao outro.

Os ensaios de torsión realízanse sobre cilindros sólidos ou tubos.

DEFORMACIÓN ELÁSTICA

2. Comportamento baixo cargas uniaxiais

O grao con que unha estrutura se deforma depende da magnitude da tensión imposta. A esforzos de tracción

pequenos, a tensión e a deformación son proporcionais segundo a Lei de Hooke:

𝜎 = 𝐸 ∗ 𝜖

E= módulo de elasticidade (MPa), pode ser interpretado como a resistencia dun material á deformación

elástica.

Cando se cumpre que a deformación é proporcional á tensión, a deformación

denomínase deformación elástica. A pendente deste segmento lineal é o

módulo de elasticidade, E.

A deformación elástica non é permanente, cando se retira a forza a peza volve a

súa forma orixinal.

Algúns materiais esta porción elástica

inicial do diagrama tensión-deformación

non é lineal, non é posíbel determinar un

módulo de elasticidade. Temos que

empregar o módulo tanxente, tomamos como pendente da curva

tensión-deformación a algún nivel da tensión.

A escala atómica, a deformación macroscópica maniféstase como pequenos cambios no espazo interatómico

e os enlaces interatómicos estíranse. A magnitude do módulo de elasticidade é unha medida de resistencia á

separación dos átomos contiguos. É proporcional á pendente da curva forza-separación interatómica

calculada na separación de equilibrio:

𝐸 ∝ (𝑑𝐹

𝑑𝑟)𝑟0

Os valores do módulo de elasticidade das cerámicas en xeral son maiores cos valores dos metais; para os

polímeros son menores. As diferenzas son consecuencia directa dos distintos tipos de enlaces. Ao aumentar

a temperatura o módulo de elasticidade diminúe. A tensión e a cizalladura son proporcionais entre si.

𝜏 = 𝐺 ∗ 𝛾

G= módulo de cizalladura

3. Anelasticidade

Ata agora supuxemos que a deformación elástica era independente do tempo: unha tensión aplicada producía

unha deformación elástica instantánea que permanecía constante durante o tempo que se mantiña aplicada a

carga. Tamén supuxemos que ao retirar a carga, a deformación recuperábase totalmente. En moitos

materiais, existe un compoñente da deformación elástica que depende do tempo, esta continúa crecendo

despois de aplicar a carga, e ao retirala requírese que transcorra algún tempo para que o material recupere a

súa forma orixinal. Este comportamento dependente do tempo chámase anelasticidade. Nos metais ten un

valor pequeno, cando ten un valor alto denomínase comportamento viscoelástico.

4. Propiedades elásticas dos materiais

Ao aplicar unha tracción prodúcese un alongamento elástico e unha deformación єz na dirección da carga

aplicada. Produciranse constricións nas direccións lateriais (x e y) perpendiculares á diercción da aplicación

da tensión. A partir destas contraccións, pódese determinar as deformacións de compresión єx e єy,

parámetro denominado coeficiente de Poisson:

𝜈 =𝜖𝑥𝜖𝑧

=𝜖𝑦

𝜖𝑧

O módulo de cizalladura e o módulo elástico están relacionados entre si e co módulo de Poisson mediante:

𝐸 = 2𝐺 ∗ (1 + 𝜈)

DEFORMACIÓN PLÁSTICA

A maioría dos materiais metálicos, defórmanse elasticamente se persistimos ata deformacións duns 0,005. A

medida que o material se deforma máis ala deste punto, a tensión deixa de seguir a Lei de Hooke e ocorre a

deformación plástica, a cal é permanente. A transición elasto-plástica é gradual na maioría dos metais,

comézase a notar certa curvatura ao comezo da deformación plástica.

A nivel atómico, esta deformación corresponde á rotura de enlaces entre os átomos veciños máis próximos e

a reformación destes con novos veciños. Nos materiais cristalinos, a deformación ten lugar mediante un

proceso chamado deslizamento; nos sólidos non cristalinos ocorre por un mecanismo de fluxo viscoso.

5. Propiedades de tracción

a) Fluencia e límite elástico

É deseábel coñecer o nivel de tensión cando comeza a deformación plástica,

fenómeno de fluencia que pode determinarse como a desviación inicial da

lienalidade da curva tensión- deformación; este punto denomínase límite

proporcional (P) e non se pode determinar a súa posición con precisión. Por

convención trázase unha liña recta paralela á liña elástica do diagrama

desprazada por unha constante de deformación (por norma 0,002). A tensión

correspondente á intersección desta liña co diagrama cando se curva chámase

límite elástico.

Non podemos empregar este método cos materiais que teñen unha rexión

elástica non lineal. Definimos o límite elástico como a tensión necesaria para

producir unha determinada deformación plástica.

b) Resistencia á tracción

Despois de iniciarse a deformación plástica, a

tensión aumenta ata un máximo (M) e diminúe ata

que se produce a fractura (F). A resistencia á

tracción, TS (MPa) é a tensión no máximo do

diagrama tensión-deformación nominais e

correspóndese coa máxima tensión que pode

soportar unha estrutura a tracción. Ata chegar a

este punto, toda a deformación é uniforme na

rexión estreita da probeta. Coa tensión máxima

comeza a formarse unha diminución localizada na

área da sección transversal dalgún punto da

probeta, denomínase estrición ou pescozo, no que

transcorre calquera deformación subseguinte e a

propia fractura.

Cando se menta a resistencia dun metal para algún deseño, fálase do límite clásico. Isto débese a que

cando se acada a resistencia á tracción a deformación plástica que sufriu o metal vólveo inservíbel.

c) Ductilidade

A ductilidade é unha medida do grao de deformación

plástica que pode soportar un material antes de sufrir unha

fractura. Se un material resiste pouca ou ningunha

deformación denomínase fráxil.

Podémola expresar cuantitativamente como o alongamento

relativo porcentual (%EL) ou a porcentaxe de redución da

área (%AR).

%𝐸𝐿 = (𝑙𝑓 − 𝑙0

𝑙0) ∗ 100

Lf= lonxitude no momento da fractura

L0= lonxitude de proba orixinal

%𝐴𝑅 = (𝐴0 − 𝐴𝑓

𝐴0) ∗ 100

O coñecemento da ductilidade dun material é importante para saber como se deformará unha estrutura antes

de romperse. Os materias fráxiles son aqueles que se fracturan antes do 5%.

6. Tensión e deformación reais

A diminución na tensión necesaria para continuar a deformación unha vez superado o punto M, indica que a

resistencia á deformación plástica diminúe pero na realidade acontece todo o contrario. A área da sección

diminúe rapidamente dentro da estrición, isto produce unha diminución na capacidade da probeta de

soportar unha carga.

A tensión real, σT, defínese como a carga dividida pola área da sección instantánea Ai sobre a cal ocorre a

deformación.

𝜎𝑇 =𝐹

𝐴𝑖

Deformación real, єT:

𝜖𝑇 = ln𝑙𝑖𝑙0

Se non hai variacións no volume temos que:𝐴𝑖 ∗ 𝑙𝑖 = 𝐴0 ∗ 𝑙0

𝜎𝑇 = 𝜎(1 + 𝜖)

𝜖𝑇 = ln(1 + 𝜖)

Estas ecuación só son válidas ao comezo da estrición

7. Dureza

A dureza é unha medida da resistencia dun material á deformación plástica localizada. Os primeiros ensaios

baseábanse no comportamento dos minerais xunta a Escala de Mohs, que se baseaba na capacidade dun

material para raiar a outro máis brando. Hoxe empréganse técnicas nas que un pequeno penetrador que é

forzado sobre unha superficie en condicións controladas de carga e velocidade de aplicación da carga.

Mídese a profundidade ou o tamaño da pegada. As durezas medidas teñen un valor relativo.

a) Ensaios de dureza de Rockwell

É o método máis empregado para medir a dureza debido a que é moi sinxelo levalo a cabo e non require

coñecementos especiais.