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1 6. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Intrínsicas (microestructura) Prop. Mecánicas de volumen Atributivas (comercialización) Costos Prop. Físicas de volumen Prop. de Producción Prop. de Superficie Prop. de estética Propiedades Mecánicas ¾ Relacionadas con habilidad del material para soportar esfuerzos (cargas) ¾ Cargas (Fuerzas) Esfuerzos: tracción, compresión y torsión. F compresión F F tracción F F c σ = F/A F c τ = F c /A torsión 1

2 ¾ Esfuerzo aplicado deformación ¾ Deformación: elástica y plástica deformación: elástica plástica tracción torsión compresión ¾ Coeficiente de Poisson (ν) σ l o : largo inicial x o : ancho inicial l = l - l o ε = l/l o ν = -ε /ε σ x = x - x o ε = - x/x o ¾ Módulo de corte o cizalle (G) τ l o : largo inicial '[ γ = x/l o = tg θ deformación elástica de corte θ l o G = τ/γ τ 2

3 &LHQFLDGHORV0DWHULDOHV±('RQRVR Tensión-compresión σ tensión pendiente E a) elástico lineal (acero) área 8 ε E : módulo de elasticidad (Young) ε compresión 8 = σ G ε 0 b) elástico no-lineal σ (goma) (energía elástica almacenada/unidad de vol) área 8 ε c) anelástico σ (plásticos) 8 = σ Gε energía disipada/ciclo ε ¾ Esfuerzo (tensión) ¾ Deformación Nominal: σ i = F i /A o [Pa] Real : σ i = F i /A i [Pa] Nominal: ε i = (l i l o )/l o = l/l o [cm/cm ó %] Real : ε i = Ln (l i /l o ) [%] Esfuerzo-deformación def. plástica no unif. Def. plástica unif. def. elástica 3

4 ¾ Rango elástico: σ = E ε E: módulo de elasticidad o Young 4.5 x 10 4 Mpa (mg) E 40.7 x 10 4 Mpa (W) ¾ Rango plástico uniforme: σ = K δ n ¾ Límite elástico o plástico: σ f ¾ Resistencia máxima (a la tensión): σ máx. ¾ Resistencia a la rotura: σ r ¾ Deformación total ( a la rotura): ε T Curva real: Tensión real (σ i = F i /A i ) Curva Ing.: Tensión nominal (σ i = F i /A o ) Curvas σ - ε para distintos materiales: a) material frágil (Fe fundido) b) material dúctil con punto de cedencia (acero bajo C) c) material dúctil (Al). 4

5 Ductilidad (fragilidad) (cantidad de def. plástica en el punto de ruptura) Alargamiento relativo = l/l o x 100 [%] l = l f - l o Reducción de área = A/A o x 100 [%] A = Ao - A f f : final Tenacidad: Energía requerida para romper el material. [Joule], [J/m], [J/m 2 ] Tenacidad a partir de una Curva esfuerzo-deformación Tenacidad a partir del ensayo de Charpy Tenacidad = energía elástica + energía plástica 5

6 Dureza: Resistencia a la deformación plástica localizada (superficie) Prueba Punzón Huella Carga N dureza Brinell Esfera de acero o D 2P carburo, 10 mm P BHN= πd(d- D 2 -d 2 ) d d Rockwell A C D Cono de punta de diamante t R = *t B F G Esfera de acero t R = *t Vickers Pirámide de diamante P HV = A*P/d 2 diagonales d A = constante Mohs Rayadores 1 talco 2 yeso 3 calcio 4 espatoflúor 5 apatito 6 feldespato 7 cuarzo 8 topacio 9 corindón 10 diamante Comparación entre las distintas técnicas de ensayos 6

7 &LHQFLDVGHORV0DWHULDOHV±('RQRVR MECANISMOS DE DEFORMACIÓN: a) Deformación elástica ligera deformación en la celda unitaria Tracción s/ esfuerzo compresión Coeficiente de Poisson: ν = - ε x /ε y ε x, ε z : deformaciones elásticas laterales ε y : deformación elástica axial S/esfuerzo esfuerzo de corte τ Módulo de corte o de cizalle: G = µ = τ/γ τ: esfuerzo de corte aplicado γ = tg α deformación elástica de corte. ( PQ 0,25 ν 0,5 µ 35%E 7

8 b) Deformación plástica los materiales ceden por corte plástico Esfuerzos de tracción y compresión se descomponen en esfuerzos de corte ¾ La mayoría de los materiales son más débiles a los esfuerzos de corte que a tracción o compresión. ¾ Los materiales ceden por corte plástico (o deslizamiento) Curva σ - ε 8

9 c) Esfuerzo de corte crítico, τ máx. b: distancia interatómica d: distancia interplanar u: deslizamiento atómico τ: esfuerzo de corte i) deformaciones elásticas: curva lineal τ = G u/d Ley de Hooke ii) deformaciones mayores: curva sinoidal 0 τ = (Gb/2πd) sin (2πu/b) τ máx. u = b/4 τ máx. = Gb/(2πd) iii) si se asume que: b d y 10 3 G 10 4 kg/mm τ máx kg/mm 2 Valores experimentales: 10-1 τ 10 kg/mm 2 9

10 &LHQFLDGHORV0DWHULDOHV Deformación plástica por deslizamiento de las dislocaciones. d) Deformación en un monocristal real esfuerzo = f plano de deslizamiento y acción de la fuerza aplicada dirección de deslizamiento y dirección de la fuerza Esfuerzo unidireccional: σ = F/A o Esfuerzo cortante: τ = F r /A donde: F r = F cos λ A = A o /cos φ W VFRVOFRVI/H\GH6FKPLG 10

11 e) Deformación en policristales ¾ Cada grano cristalino es considerado como un monocristal ¾ Cada grano cristalino tiene su propia orientación (diferente uno de otro) ¾ Límites de granos interfieren en el deslizamiento de las dislocaciones ¾ σ f = σ i + k y d -1/2 Hall-Petch 11

12 3UREOHPDV\SUHJXQWDV 1. Dibuje un diagrama esquemativo esfuerzo-deformación para un material frágil y uno dúctil (las dos curvas en el mismo esquema). Indique como calcularía: límite de fluencia, resistencia a la tracción, módulo de elasticidad y tenacidad. 2. Se aplica una carga de 1500 kg a una varilla de metal Monel de 0,89 x 10-2 m de radio; si se encuentra que la misma carga produce la misma deformación elástica en una varilla de Ni puro, calcule el diámetro de esta varilla de Ni (E Monel = 179 GPa, E Ni = 206 GPa) 3. Cierto material metálico, de 12.2 mm de ancho, 1.9 mm de espesor y longitud inicial de 50 mm, fue sometido a un ensayo de tracción (cuya curva fuerza-alargamiento se muestra a continuación). La fuerza máxima que soportó fue de 1700 N y la longitud final de 72 mm. Determine: Módulo de Young; límite de fluencia; deformación a una tensión de 21.6 MPa; resistencia a la tensión; ductilidad; determine el tipo de material ensayado. Curva fuerza alargamiento del ejercicio N Dibuje en una curva esfuerzo-deformación las curvas esquemáticas para un material con dos tamaños de granos distintos (en la misma figura las 2 curvas). 5. Grafíque en una curva esfuerzo-deformación las curvas esquemáticas para un material con dos concentraciones de Al distintos (en la misma figura las 2 curvas). 6. Explique como obtener para un cierto material: coeficiente de Poisson, módulo de cizalle y módulo de elasticidad. 7. Explique la diferencia entre una deformación elástico lineal, una elástico no lineal y un anelástico. 8. Explique dos formas de obtener la tenacidad de un cierto material. 9. Explique las distintas pruebas de dureza de un cierto material. 12

13 10. Suponga que Ud. es deportista extremo y decide lanzarse con elástico desde un puente de 200 metros de altura. Para ello elije un cable de hule natural de y cm de diámetro. Si el largo inicial del cable es de 24 metros, comente y explique utilizando el diagrama σ-ε: a) sobrevive al salto?; b) elija el material más adecuado de los presentados en el diagrama (justifique sus respuestas; 1kg/mm 2 = 9.62 MPa) Curva σ-ε del ejercicio N Una probeta de 50 mm de longitud y 15 mm de diámetro fue sometida a tracción, resultando un diámetro de 12,45 mm después de la fractura y los siguientes datos de alargamiento: Carga (kn) Incremento de longitud (mm) 0,25 0,40 0,50 0,60 0,75 1,75 3,00 5,00 6,50 8,00 Dibuje la curva esfuerzo-deformación. Calcule: resistencia a la ruptura, módulo de elasticidad, límite de fluencia, fragilidad, esfuerzo real a una deformación nominal del 8 %. 12. Explique el mecanismo de deformación elástica y plástica de un mono y policristal a nivel microestructural. 13

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