Capítulo 3 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES

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1 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 1 TEMA 1 Capítulo 3 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES

2 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 2 Podemos clasificar los materiales en base a sus aplicaciones. Según este criterio, podemos dividirlos en dos grandes grupos: - Materiales estructurales - y Materiales funcionales. Los primeros son aquellos que van a estar caracterizados por sus propiedades mecánicas y cuando prestan servicio están sometidos fundamentalmente a fuerzas o cargas. Es por tanto por lo que el estudio de su comportamiento mecánico resulta de vital importancia ya que será el que nos refleje la relación existente entre la fuerza que se le aplique y la respuesta que el material presenta frente a esa solicitación.

3 Fundamentos de la Tecnología de Materiales MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO DE LOS METALES A los ingenieros metalúrgicos y de materiales se les solicita en numerosas ocasiones el diseño de aleaciones con alta resistencia pero también con cierta ductilidad y tenacidad. La capacidad de un metal o aleación para deformarse plásticamente depende de la capacidad de las dislocaciones para moverse. La resistencia mecánica se puede aumentar reduciendo la movilidad de las dislocaciones; es decir, mayores fuerzas serán necesarias para comenzar la deformación plástica.

4 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 4 En definitiva, todas las técnicas de endurecimiento de las aleaciones se basan en un principio muy simple: - La restricción e impedimento del movimiento de las dislocaciones convierte al material en más duro y resistente.

5 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 5 Mecanismos de endurecimiento: Endurecimiento por solución sólida de metales Endurecimiento por reducción del tamaño de grano Endurecimiento por deformación Endurecimiento por precipitación

6 Fundamentos de la Tecnología de Materiales Endurecimiento por solución sólida de metales La estructura de una solución sólida puede ser de dos tipos: por sustitución o de inserción. Se crean campos de tensión alrededor de cada átomo de soluto, que interaccionan con las dislocaciones provocando que sus movimientos se hagan más difíciles, con lo que se consigue que la solución sólida sea más resistente y dura que el metal puro. Los dos factores más importantes que afectan al endurecimiento de las disoluciones sólidas: El factor de tamaño relativo, o lo que es lo mismo, las diferencias entre el tamaño de los átomos del soluto y el disolvente, ya que cuanto mayor sea esa diferencia mayor será la distorsión producida en la red cristalina. El orden a corto alcance, es decir, es muy raro que una solución sólida se forme al azar al mezclarse diferentes átomos, eso significa que algún tipo de orden de corto alcance o agrupación de átomos semejantes estará presente. Un ejemplo de endurecimiento por solución sólida lo constituyen los latones, resultado de la aleación de Cu con Zn, de tal manera que mientras que la resistencia del cobre puro a tracción es del orden de 250 MPa, la resistencia a tracción de la aleación 70%Cu y 30% Zn (latón de cartuchería) es del orden de 430MPa.

7 Fundamentos de la Tecnología de Materiales Endurecimiento por reducción del tamaño de grano El tamaño de grano de un metal policristalino afecta considerablemente a las propiedades mecánicas del mismo. Durante la deformación plástica del metal, las dislocaciones que se mueven a lo largo de un plano de cada grano tiene su propio conjunto de dislocaciones en sus propios planos de deslizamiento preferidos, que a su vez tienen diferentes orientaciones de las de los granos colindantes. Planos de deslizamiento Figura 4.1. Esquema de los planos de deslizamiento contenidos en los granos de un metal

8 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 8 Un material con grano fino será mas duro y resistente que uno de grano grueso, ya que el primero tiene un mayor número de bordes de grano para un mismo volumen que el segundo. También en muchos materiales el límite elástico y varía con el tamaño de grano según la siguiente relación: y = 0 + k y d -1/2 Ecuación de Hall-Petch

9 Fundamentos de la Tecnología de Materiales Endurecimiento por deformación En una estructura de grano equiaxial, sometida a un proceso de deformación plástica, los granos sufren cizallamiento relativo unos respecto de otros mediante la generación, movimiento y redistribución de las dislocaciones. Esto significa que la densidad de las dislocaciones aumentará cuanto mayor sea el grado de deformación plástica al que sometamos al material. La densidad de la dislocación aumenta con la deformación, se hace cada vez más difícil el movimiento de las dislocaciones a través del bosque de dislocaciones y, por tanto, el trabajo sobre el metal que se endurece a medida que aumenta la deformación en frío. El cobre, aluminio o el hierro- son trabajados en frío, se endurecen por deformación, o lo que es lo mismo endurecen por acritud, uno de los métodos más importantes de endurecimiento para los metales y aleaciones.

10 Fundamentos de la Tecnología de Materiales Endurecimiento por precipitación Lógicamente este proceso estará limitado a aquellas composiciones de aleaciones que muestren curvas de insolubilidad parcial directas con la temperatura, delimitando una zona monofásica y otra bifásica. El grado de endurecimiento es proporcional al grado de precipitado coherente con a matriz. Figura 4.2. Zona del diagrama de equilibrio Cu-Al que muestra los tres pasos a seguir en el endurecimiento por precipitación de una aleación.

11 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 11 El endurecimiento por precipitación se produce por el efecto de las partículas precipitadas que, de forma coherente, deforman los planos cristalinos de la matriz en el entorno de las mismas. La coherencia es el concepto que involucra la continuidad de los planos cristalinos de la matriz de la aleación, aún albergando un núcleo de la fase precipitada por sobresaturación. Figura 4.4. a) Precipitado no coherente (estable) sin relación con la estructura cristalina de la matriz. b) Precipitado coherente inestable. Si se produjera la discontinuidad de los planos cristalinos en el entorno de la partícula precipitada, incoherencia, el precipitado se comportaría como un subgrano dentro del monocristal y su actuación tendría el efecto de una inclusión.

12 Fundamentos de la Tecnología de Materiales RECUPERACIÓN, RECRISTALIZACIÓN Y CRECIMIENTO DEL GRANO La deformación plástica de una probeta metálica policristalina a temperaturas bajas respecto a la de fusión, produce cambios en la microestructura y propiedades de la misma. Los cambios fundamentales son: Cambio en la forma del grano Endurecimiento por deformación Aumento de la densidad de dislocaciones Figura 4.5. Etapas de la recristalización de un metal

13 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 13 Pero estos cambios y estructuras pueden recuperar sus valores anteriores a la deformación en frío mediante tratamientos térmicos adecuados que producen unos fenómenos de recuperación y recristalización después de los cuales puede ocurrir el crecimiento de grano Recuperación En principio, la recuperación es un fenómeno que ocurre a baja temperatura, y los cambios producidos en las propiedades del material a consecuencia del mismo no dan un cambio apreciable en la microestructura. Explicado con mayor detalle, al suprimir la carga que ha producido la deformación plástica en un material policristalino no desaparece toda la deformación elástica debido a que, al no tener todos los cristales la misma orientación cristalina, no se permite que alguno de ellos retroceda cuando se suprime la carga. Conforme la temperatura aumenta, se produce un rápido retroceso de estos átomos desplazados elásticamente.

14 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 14 Como indicamos con anterioridad, las propiedades mecánicas del material no experimentan ningún cambio sustancial durante esta etapa, siendo la principal aplicación de esta etapa de recuperación el alivio de las tensiones internas que se producen al deformar un metal. Si que hay que destacar por el contrario, que tras la etapa de recuperación, propiedades físicas como las conductividades eléctricas y térmicas se recuperan hasta valores parecidos a los que presentaba el material antes de ser deformado.

15 Fundamentos de la Tecnología de Materiales Recristalización Si continuamos aumentando la temperatura, conforme se alcanza la temperatura superior del intervalo de recuperación, aparecen nuevos cristales en la microestructura los cuales tienen la misma composición, estructura y forma que los granos originales no deformados y que son aproximadamente uniformes en sus dimensiones (equiaxiales). La fuerza motriz para producir esta nueva estructura de granos es la diferencia entre la energía interna del material deformado y el no deformado. Los nuevos granos se forman como núcleos muy pequeños y crecen hasta que reemplazan completamente al material deformado, proceso en el cual tiene lugar la difusión de corto alcance. Como acabamos de señalar que los nuevos granos crecen a partir de unos pequeños núcleos, los procesos de recristalización de los metales deformados en frío pueden emplearse para afinar la estructura de los granos.

16 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 16 También durante la recristalización las propiedades mecánicas del metal deformado son restauradas a los valores previos a la deformación, es decir, el metal se hace más blando, dúctil, tenaz y menos resistente. Existen factores importantes que afectan al proceso de recristalización de los metales y aleaciones como son: La cantidad de deformación previa del metal La temperatura El tiempo El tamaño inicial del grano La composición del metal o aleación De esto se deduce que la recristalización de un metal puede producirse en un intervalo de temperaturas dependiente de alguno de los factores que acabamos de mencionar.

17 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 17 Generalidades acerca del proceso de recristalización: Es necesaria una mínima deformación del metal Cuanto más pequeño sea el grado de deformación, más alta la temperatura necesaria para provocar la recristalización. Al incrementar la temperatura para la recristalización, disminuye el tiempo necesario para completarla. Cuanto mayor sea el grado de deformación, más pequeño el tamaño del grano recristalizado. Cuanto mayor sea el tamaño original del grano, mayor será la deformación requerida para conseguir una temperara de recristalización equivalente. La temperatura de recristalización disminuye al aumentar la pureza del metal.

18 Fundamentos de la Tecnología de Materiales Crecimiento de grano Los granos pueden seguir creciendo si el material es mantenido a temperatura elevada. A este fenómeno se le conoce como crecimiento del grano, que no tiene porqué estar precedido por la restauración y la recristalización, sino que por el mero hecho de someter un material policristalino a temperaturas elevadas, su grano tenderá a crecer. Figura 4.6. Representación esquemática del crecimiento de grano por difusión atómica

19 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 19 Esto se debe a que cuanto más crece el grano, el área total de bordes de grano disminuye (va disminuyendo el número de granos), produciéndose entonces una disminución de la energía superficial del sistema, lo que resulta en la fuerza motriz de este fenómeno. Los granos crecen debido a la migración de los bordes de grano. Como no todos los granos pueden crecer al mismo tiempo, unos crecen a expensas de otros, aunque el tamaño medio de grano aumenta con el tiempo y en cualquier instante existirá una gama de tamaños de grano diferentes. El movimiento de los bordes de grano, no es más que la difusión a corto alcance de los átomos de un lado al otro lado del borde. Por tanto, el movimiento de los átomos será el contrario al del avance del borde de grano como se indica en la figura 4.6.

20 Fundamentos de la Tecnología de Materiales TENSIÓN Y DEFORMACIÓN F A o l A F l l o F A o Figura 4.7. Alargamiento de una varilla metálica sometida a una fuerza de tracción F.

21 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 21 Definiremos el esfuerzo o tensión nominal al que está sometida la varilla, como el cociente entre la fuerza de tracción F y la sección transversal original de la varilla A o : La deformación producida en la varilla anterior debido a la aplicación sobre ella de la fuerza F será: l l l l o l l o %deformación = deformación x 100% = %elongación

22 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 22 Un esfuerzo de tensión z produce una deformación axial + z y una contracción lateral de - x y - y. Si el material es completamente isótropo, - x = - y con lo que podemos escribir la siguiente relación: es el coeficiente de Poisson, que toma el valor para materiales ideales de 0,5. Sin embargo, en la realidad, el coeficiente de Poisson varía desde 0,25 hasta 0,4 con un valor promedio en torno al 0,3. Figura 3.7b. Alargamiento axial y contracciones laterales en respuesta a una tracción aplicada.

23 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 23 Esfuerzo cortante y deformación por esfuerzo cortante El esfuerzo cortante se relaciona con la fuerza F por la relación: Deformación por esfuerzo cortante,, se define como la cantidad de desplazamiento por cizalla a dividida por la distancia h sobre la que actúa la cizalla: Para la cizalla puramente elástica, existe proporcionalidad entre la deformación y el esfuerzo cortante: Donde G es el módulo de elasticidad. = G

24 Fundamentos de la Tecnología de Materiales El ensayo de tracción El ensayo de tracción es el más habitual para determinar la resistencia de los metales y aleaciones. Es un ensayo en el que se pretende romper mediante la aplicación de un esfuerzo de tracción, una probeta a velocidad constante en un periodo relativamente corto de tiempo. Figura 4.8. Esquema de un ensayo de tracción.

25 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 25 La fuerza (carga) sobre la muestra que está siendo analizada se registra al igual que la deformación medida mediante un extensómetro. De tal modo que al final del ensayo tendremos un gráfico tensión-deformación como el que se muestra en la figura 4.9. Y M E Figura 4.9. Curva tensión-deformación de una aleación de aluminio

26 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 26 Las principales propiedades mecánicas de metales y aleaciones que son de importancia en ingeniería para diseño estructural y que pueden obtenerse del ensayo de tracción son las siguientes: a) Módulo de elasticidad b) Límite elástico convencional a 0,2% de desplazamiento c) Resistencia a tracción d) Alargamiento hasta rotura e) Estricción en la rotura

27 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 27 a) Módulo de elasticidad Durante la primera parte del ensayo de tracción, la deformación que experimenta el metal es de naturaleza elástica, es decir, si retiramos la carga a la que está sometida la probeta, esta volverá a su longitud inicial. Para los metales, la máxima deformación elástica es normalmente inferior al 0,5%. En general, los metales y aleaciones muestran una relación lineal entre el esfuerzo aplicado y la deformación en la región elástica que está descrita por la ley de Hooke: O bien: (tensión) = E. (deformación) E = Donde E es el módulo de elasticidad o módulo de Young. El módulo de elasticidad, por tanto, estará relacionado con la fuerza de enlace entre los átomos de un metal o aleación. Los metales con un alto módulo de elasticidad serán rígidos y no se

28 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 28 deformarán fácilmente, mientras que cuanto menor sea el módulo de elasticidad de un material, mayor facilidad presentará este para ser deformado.

29 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 29 Límite elástico Es un valor de gran importancia para el diseño estructural con materiales metálicos ya que es la fuerza a la que un metal o aleación muestra una deformación plástica significativa, o dicho de otra manera, el valor de la tensión que puede soportar un material a partir del cual va a comenzar a deformarse plásticamente. Pero como en la mayoría de materiales no existe un punto bien definido de donde termina el material de deformarse elásticamente y donde comienza la deformación plástica, el límite elástico se toma como aquella tensión para la que se produce una cantidad determinada de deformación plástica, normalmente el 0,2 %.

30 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 30 Los límites elásticos están comprendidos entre 35 MPa para un aluminio de baja resistencia, hasta valores superiores a los 1500 MPa en aceros de alta resistencia.

31 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 31 b) Resistencia a tracción Conforme aumenta la carga aplicada sobre la probeta que estamos ensayando, el esfuerzo y la deformación se incrementan como lo indica el tramo de la curva YM para un material dúctil, hasta alcanzar un valor máximo de esfuerzo en el punto M de la curva. La resistencia a tracción, por tanto, se define como la carga máxima que es capaz de soportar el material sin romperse, referida a la sección original de la pieza.

32 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 32 c) Resistencia última a rotura Cuando sometemos a un material dúctil al ensayo de tracción, hasta que llegamos al punto de esfuerzo máximo M, la deformación que experimenta la pieza o probeta es uniforme a lo largo de toda ella. Pero a partir de ese punto máximo, la muestra experimenta una deformación localizada y la carga decrece conforme la sección disminuye. Esta deformación que presenta la forma de un cuello, no es uniforme y ocurre rápidamente hasta el punto en que el material falla. La resistencia a rotura considerando la sección original de la pieza antes del ensayo siempre será menor que la resistencia a tracción. En el caso de materiales frágiles sin capacidad de deformarse plásticamente, la resistencia a tracción y la resistencia a rotura coinciden prácticamente.

33 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 33 Ductilidad La ductilidad es una medida del grado de deformación plástica que puede soportar un material hasta su rotura. Del ensayo de tracción esta propiedad la podremos determinar a partir de dos mediciones: - Alargamiento: Se determina juntando, después de haber roto el material, las dos partes de la pieza y midiendo la distancia entre dos marcas puestas en la pieza antes de efectuar el ensayo. El alargamiento lo calcularemos de la siguiente forma: A l l f 0 l 0, donde l f es la longitud final entre las marcas y l 0 la inicial. - Estricción: Se denomina a la disminución de sección que aparece localizada donde se produce la rotura. Se determina a partir de las mitades rotas de la pieza, midiendo el área transversal mínima S r. La expresión que da la estricción, para una probeta de sección inicial S 0 es la siguiente: S0 Sr S 0.

34 Fundamentos de la Tecnología de Materiales Curvas reales de tracción Hasta este momento hemos hablado del ensayo de tracción convencional y siempre hemos estado relacionando cuando hablamos de resistencia, valores de cargas divididos siempre por la sección original de la probeta que vamos a ensayar. Esto no es exacto ya que, como hemos visto, la sección de la probeta durante un ensayo de tracción no permanece constante sino que va disminuyendo conforme aumentamos el esfuerzo sobre la misma. A este tipo de curvas, que son las que realmente tienen una utilidad práctica se denominan Curvas tensión deformación ingenieriles.

35 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 35 Pero también es interesante, y en ocasiones necesario, determinar en cada momento la tensión real a la que está sometida la probeta, en relación a la sección que verdaderamente presenta en cada momento. Y esa es la dificultad que tenemos, el saber cual es la sección que verdaderamente presenta la probeta en un momento determinado del ensayo. Para realizar ese cálculo, en una primera aproximación, podemos suponer que el volumen del metal se conserva durante la deformación plástica. De este modo podemos escribir: S 0. l 0 = S. l

36 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 36 La tensión real r vendrá definida por la relación: r F S F. l S. l 0 0 F S 0 l. 0 l l 0 Ahora bien, hemos visto antes que la tensión referida a la sección inicial tenía por valor F S 0 y el alargamiento referido a la longitud inicial, el siguiente valor: l l 0 de donde resulta que la tensión real se expresa por la ecuación:.( 1 ) r Cuando en un momento determinado del ensayo la probeta posea la longitud l, la deformación real correspondiente a ese alargamiento será: r l l 0 l 0 dl l l log 0 l l 0 De donde: r = log (1 + ) Por lo que a través de esta expresión puede pasarse de la curva ingenieril a la real.

37 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 37 Curva real Curva ingenieril Figura Representación esquemática de la diferencia existente entre las curvas tensión-deformación ingenieril y real.

38 Fundamentos de la Tecnología de Materiales DUREZA La dureza es una medida del material a ser deformado plásticamente. Normalmente, esta propiedad se mide forzando con un penetrador su superficie, el cual generalmente está fabricado de un material mucho más duro que el material a ensayar y puede tener forma de esfera, pirámide o cono. Debido a las características de este ensayo, se puede determinar experimentalmente una relación entre dureza y resistencia para un determinado material, por lo que el ensayo de dureza se utiliza con gran frecuencia en la industria para control de calidad ya que puede no ser destructivo y es más simple que el de tracción.

39 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 39 En la figura 4.11 se recogen los tipos de penetradores y huellas asociados a los cuatro ensayos más comunes de dureza: Rockwell, Brinell, Vickers y Knoop. Figura Diferentes ensayos de dureza.

40 Fundamentos de la Tecnología de Materiales FLUENCIA La fluencia o creep es el fenómeno de aumento constante de la deformación en el tiempo, que se produce en todos los materiales, sometidos a una carga, cuando la temperatura es lo suficientemente elevada.

41 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 41 En la figura 4.12 se representa la forma típica de una curva de fluencia, es decir, la variación de la deformación con el tiempo, que experimenta una probeta sometida a una carga y temperatura constantes. En ella se pueden distinguir las cuatro zonas clásicas: i) Deformación prácticamente instantánea OA, que será solamente elástica si no se ha rebasado el límite elástico del material. ii) Una primera etapa AB en que la velocidad de deformación disminuye con el tiempo. iii) Una segunda etapa en que la velocidad de fluencia se hace mínima y permanece constante. iv) Una tercera etapa en que la velocidad de fluencia aumenta rápidamente, hasta que finalmente se produce la rotura

42 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 42 Figura Curva típica de fluencia de un metal o aleación.

43 Fundamentos de la Tecnología de Materiales 43 En general es difícil determinar la temperatura que corresponde a una velocidad de fluencia nula, sin embargo puede afirmarse que para temperaturas superiores a la mitad de la de fusión todos los materiales metálicos presentan velocidades de fluencia importantes. Las características tecnológicas más importantes que pueden determinarse a través de los ensayos de fluencia son, la deformación en un tiempo dado y el tiempo al cabo del cual se produce la rotura. En ambos casos interviene un nuevo parámetro, el tiempo, que normalmente no se tiene en cuenta en estructuras destinadas a trabajar a temperatura ambiente y que aquí es de una importancia decisiva. En algunos casos, cuando no es preciso limitar la deformación, la carga de rotura en tiempo dado fija los esfuerzos admisibles en la pieza.

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