¾ Relacionadas con habilidad del material para soportar esfuerzos (cargas)

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Claudia Quintana Guzmán
hace 8 años
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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

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

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

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

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

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.

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

área = A/A o x 100 [%] A = Ao - A f f : final Tenacidad: Energía requerida para romper el material.

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

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

acero t 100 60 150 R = 130 500*t Vickers Pirámide de diamante P HV = A*P/d 2 diagonales d A = constante Mohs Rayadores 1 talco 2 yeso

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

deformaciones elásticas laterales ε y : deformación elástica axial S/esfuerzo esfuerzo de corte τ Módulo de

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

los materiales son más débiles a los esfuerzos de corte que a tracción o

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

deformaciones elásticas: curva lineal τ = G u/d Ley de Hooke ii) deformaciones mayores: curva sinoidal

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

fuerza aplicada dirección de deslizamiento y dirección de la fuerza Esfuerzo

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

propia orientación (diferente uno de otro) ¾ Límites de granos

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

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

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

$Una probeta de 50 mm de longitud y 15 mm de diámetro fue sometida a tracción, resultando un diámetro de 12,45 mm después de la fractura y los siguientes datos de alargamiento: Carga (kn) 70 120 150$

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