TEMA 5. PROPIEDADES MECÁNICAS ESTRUCTURA DEL TEMA CTM PROPIEDADES MECÁNICAS

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1 TEMA 5. PROPIEDADES MECÁNICAS Prácticamente todos los materiales, cuando están en servicio, están sometidos a fuerzas o cargas externas El comportamiento mecánico del material es la respuesta a esas fuerzas; su conocimiento es fundamental Las PROPIEDADES MECÁNICAS son las diferentes formas de analizar la relación fuerza aplicada-respuesta 5.1 CONCEPTOS TENSIÓN Y DEORMACIÓN. TIPOS DE ESUERZO MECÁNICO 5.2 DEORMACIÓN ELÁSTICA. MÓDULO DE YOUNG 5.3 PROP. ELÁSTICAS DE LOS MATERIALES. COE. DE POISSON 5.4 DEORMACIÓN PLÁSTICA. LÍMITE DE ELASTICIDAD 5.5 DUREZA 5.6 ATIGA 5.7 LUENCIA ESTRUCTURA DEL TEMA

2 5.1 CONCEPTOS TENSIÓN-DEORMACIÓN. TIPOS DE ESUERZO MECÁNICO (I) Condiciones de partida: CTM PROPIEDADES MECÁNICAS La fuerza aplicada es estática: no cambia con el tiempo o lo hace muy lentamente Es aplicada uniformemente sobre una sección o superficie del sólido En esas condiciones se puede estudiar el comportamiento mecánico mediante ensayos tensión-deformación Tipos de esfuerzo mecánico (solicitaciones mecánicas, formas de aplicar la carga): TRACCIÓN (Tension) COMPRESIÓN CIZALLADURA (Shear) ESUERZO A TRACCIÓN.- La carga se aplica a tracción a lo largo del eje de la pieza (probeta), que es longitudinal y de sección generalmente circular o rectangular l/2 TENSIÓN (nominal) (Stress) σ A 0 Unidades: MPa10 6 N/m 2 N/mm 2 l l 0 l/2 DEORMACIÓN (nominal) (Strain) l lo l l 0 l 0 (x100 %) A 0

3 5.1 TENSIÓN Y DEORMACIÓN. TIPOS DE ESUERZO MECÁNICO (II) ESUERZO A COMPRESIÓN Idéntico que a tracción, salvo que la carga se aplica a COMPRESIÓN Se considera < 0 L<l 0 <0 A 0 ESUERZO A CIZALLADURA (cortadura) A 0 θ TENSIÓN τ DEORMACIÓN A 0 γ tgθ l/2 l 0 l T φ ESUERZO A TORSIÓN l/2 T

4 5.2 DEORMACIÓN ELÁSTICA. MÓDULO DE YOUNG CTM PROPIEDADES MECÁNICAS Curva típica carga vs desplazamiento σ A 0 Esquema ensayo a tracción E Alargamiento l l l 0 Defomación Elástica: región en la que la tensión es proporcional a la deformación: σ E Ley de Hooke, E Módulo de Elasticidad o de Young El comportamiento elástico se corresponde con la zona lineal de la gráfica tensióndeformación La deformación es elástica es NO PERMANENTE; cuando se retira la carga la pieza vuelve a su longitud inicial, l o El Módulo de Young da cuenta de la rigidez del material: a mayor E menor deformación para una tensión dada En cizalladura: τ Gγ G-Módulo de cizalladura

5 5.3 PROPIEDADES ELÁSTICAS DE LOS MATERIALES COEICIENTE DE POISSON - ν z 2 l l z 0z / 2 Coef. de POISSON E 2G(1+ υ) x 2 x υ z l l y 0x para materiales isótropos z x / 2 x l z 2 z l 0z y σ z σ z l 0x l x 2 Valores del Módulo Elástico, de Cizalladura y del Coeficiente de Poisson para algunos materiales METALES Aluminio Latón Cobre Magnesio Níquel Acero Titanio Tungsteno E (GPa) G (GPa) ν CERÁMICOS Alúmina SiC Vidrio comercial Vitrocerámico POLÍMEROS PE (LD) PP PVC NYLON 6,6 E (GPa) ν E (GPa)

6 5.4 DEORMACIÓN PLÁSTICA. LÍMITE DE ELASTICIDAD (I) Deformación plástica.- Deformación permanente, no recuperable LÍMITE ELÁSTICO, σ y.- Tensión límite entre comportamiento elástico y plástico (Yield strength) En la práctica interesa que los elementos en servicio SÓLO EXPERIMENTEN DEORMACIÓN ELÁSTICA Tensión de seguridad o de trabajo:σ w σ y /N, donde N factor de seguridad Tensión σ RT σ y Curva típica tensión vs deformación a tracción Elástico Plástico P Max Estricción Rotura RESISTENCIA A LA TRACCIÓN (RT) tensión máxima (M) (tensile strength) DUCTILIDAD.- Grado de deformación plástica hasta fractura lf l0 Alargamiento relativo % EL 100 l0 TENACIDAD (toughness).- Capacidad de absorber energía antes de la fractura σ RÁGIL: sin o poca def. plástica DÚCTIL y TENAZ Deformación

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8 Energía absorbida en el impacto (J) Cu Al CTM PROPIEDADES MECÁNICAS 5.4 DEORMACIÓN PLÁSTICA. LÍMITE DE ELASTICIDAD (III) Tensión y deformación reales Referidas a la sección (A i ) y longitud (l i ) instantáneas en cada momento: Tensión real σ R A i dl dl l Deformación real d R R ln l l 0 l l 0 R ln1+ ;sial i i A0l0 σr σ1+ Relación σ- reales y nominales: ( ) ( ) ENSAYOS DE RACTURA POR IMPACTO. Transición dúctil-frágil Es una forma de estimar la tenacidad a partir de la energía necesaria para romper una probeta mediante una carga de impacto La muestra sigue una rápida sucesión de deformación elástica, plástica y fractura Transición dúctil-frágil Dependencia con la temperatura de la energía absorbida en el impacto: algunos materiales presentan comportamiento dúctil (alta energía) a alta temperatura y frágil (baja energía) a temperaturas bajas Izod Charpy Esquema ensayo de impacto Zn Acero Temperatura (ºC) l i

9 5.5 DUREZA (hardness) (I) Medida de la resistencia del material a la deformación plástica localizada En un principio se basaba en la capacidad de un material de rayar a otro Escala de MOHS Talco Yeso Calcita luorita Apatito Ortoclasa Cuarzo Topacio Corindón Diamante Actualmente se mide a partir de ensayos de indentación, que consisten en aplicar un penetrador sobre la superficie del material en condiciones controladas de carga y velocidad de aplicación de la carga. La dureza se determina a partir de la profundidad o tamaño de la huella resultante. Las durezas así medidas tienen sólo carácter relativo y no absoluto Los ensayos de dureza son muy frecuentes. Representan una manera asequible de obtener información del comportamiento mecánico del material, menos costosa que los ensayos a tracción, por ejemplo. Entre sus ventajas destacan: Son sencillos y económicos, la preparación de la probeta no es complicada Son prácticamente no destructivos, sólo se genera una huella mínima Se pueden estimar otras propiedades mecánicas a partir de la dureza, como la resistencia tracción

10 5.5 DUREZA (II) (te. Callister)

11 5.6 ATIGA CTM PROPIEDADES MECÁNICAS Comportamiento del material frente a TENSIONES CÍCLICAS O LUCTUANTES de valores inferiores a la resistencia a tracción o límite elástico La rotura se produce tras un nº elevado de ciclos carga-descarga Es la primera causa de rotura de los materiales Tensiones cíclicas entre tensión máxima σ max y mínima σ min σ max + σ σ min σmin Valor medio m Cociente de tensiones R 2 σmax σ max σ min Intervalo de tensiones σr σ max σ min Amplitud de la tensión σ r a 2 2 El comportamiento en fatiga de los materiales se determina en laboratorio a partir de ensayos de fatiga, dando lugar a las denominadas CURVAS S-N, tensión (normalmente σ a ) vs nº de ciclos hasta la rotura Amplitud de la tensión σ a Límite de fatiga Nº de ciclos hasta rotura, N Amplitud de la tensión σ a σ 1 N Nº de ciclos hasta rotura, N σ

12 5.7 LUENCIA (creep) (I) CTM PROPIEDADES MECÁNICAS Deformación permanente (plástica) y dependiente del tiempo a tensión constante ruto de la combinación de tensiones estáticas y temperatura Apreciable en metales a partir de T>0.4T f Curva típica de fluencia Deformación de fluencia, Primaria Secundaria Velocidad de fluencia estacionaria Deformación instantánea (elástica) s t Terciaria Rotura Tiempo, t

13 5.7 LUENCIA (II) Dependencia con la tensión y la temperatura Ejemplo: Aleación níquel baja en C s Kσ n exp Qc RT (te. Callister) Parámetro de Larson-Miller: T(C+log t r ), donde C es una constante ( 20) T la temperatura en K t r el tiempo a la ruptura Permite una estimación del tiempo de ruptura, para tiempos prolongados, a partir de ensayos a temperaturas altas Representación log σ vs parámetro Larson-Miller para una aleación de base hierro (te. Callister)