Propiedades físicas y mecánicas de los materiales Parte II

Transcripción

1 Propiedades físicas y mecánicas de los materiales Parte II

2 Propiedades físicas y mecánicas de los materiales 2.5. Propiedades mecánicas de los materiales Tensión y Deformación Elasticidad Plasticidad Ductilidad Tenacidad y Resiliencia Dureza Fluencia Fatiga

3 Definición Son propiedades del material relacionadas con su capacidad de transmitir y resistir fuerzas o deformaciones Importancia Elección del material adecuado para cada aplicación o proyecto Modelizar el comportamiento observado en la práctica

4 Determinación Las propiedades mecánicas generalmente se determinan mediante ensayos aplicados a probetas o piezas Clasificación de los ensayos: En cuanto a la Integridad Destructivos: provocan inutilización parcial o total de la pieza (tracción, dureza, fatiga, fluencia, torsión, flexión, impacto) No destructivos: no comprometen la integridad de la pieza (rayos X, ultrasonido, líquidos penetrantes, microdureza) En cuanto a la velocidad Estáticos: carga aplicada lentamente (tracción, compresión, flexión, dureza) Dinámicos: carga aplicada lentamente o de forma cíclica (fatiga e impacto) Carga constante: carga aplicada durante un largo período (fluencia)

5 2.5.1 Tensión y Deformación En un sentido simplista, la tensión se puede pensar como Carga/Área. De manera similar, deformación es la variación de longitud del componente/longitud original. Una tensión puede ser directa, cortante, o torsional producen su correspondiente deformación. La tensión no se puede medir directamente, pero el alargamiento que tiene sí.

6 2.5.1 Tensión y Deformación Tensión: Fuerza por unidad de superficie del sólido : Tensión (MPa) F; Fuerza (N) S: Superficie (mm 2 ) Unidades: S. I. Pascales (1Pa = 1N/m 2 ). En la práctica: 1 MPa= 1 N/mm 2 = 10 kp/cm 2 = 0.1 kp/mm 2 Se expresa la carga en Newtons (N) y la Área en mm 2 para obtener la tensión en Mpa. N mm 2 MPa

7 2.5.1 Tensión y Deformación Tipos (a) Tracción (b) Compresión (c) Cizalla (d) Torsión

8 2.5.1 Tensión y Deformación L/2 Load, P Tensión P Load, P L/2 Lo Area Ao A o L Lo Area Ao L o L/2 P Deformación P Tensión uniaxial - Tracción Tensión uniaxial- Compresión L/2

9 2.5.1 Tensión y Deformación Ensayo de tracción directa Se somete el material a una carga de tracción creciente que promueve una deformación progresiva y aumento de longitud

10 2.5.1 Tensión y Deformación Ensayo de tracción directa Pinza Extensómetro Specimen

11 2.5.1 Tensión y Deformación Ensayo de tracción directa

12 2.5.1 Tensión y Deformación Ensayo de tracción directa Región entre M y F: MetalesOcurre el estrechamiento de la sección CerámicaOcurre la propagación de fisuras PolímerosOcurre la alineación las cadenas poliméricas que están a punto de romperse

13 Stress (=P/Ao) Tensión y Deformación Ensayo de tracción directa Elastic limit E Strain (=L/Lo)

14 2.5.1 Tensión y Deformación Ensayo de tracción directa Región entre M y F: MetalesOcurre el estrechamiento de la sección CerámicaOcurre la propagación de fisuras PolímerosOcurre la alineación las cadenas poliméricas que están a punto de romperse

15 2.5.1 Tensión y Deformación Ensayo de compresión Se somete el material a una carga de compresión creciente que promueve una deformación progresiva de contracción

16 F Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Elasticidad El material vuelve a su configuración inicial una vez cesa la carga Deformación elástica es aquella totalmente recuperable una vez cesa su causa Está relacionado con la rigidez del material y con las fuerzas de las ligaciones interatómicas F Linealelastica d No-Linealelastica 1. Inicial 2. Carga 3. Descarga d

17 2.5.2 Elasticidad Módulo de elasticidad: Ratio entre la tensión aplicada y la deformación elástica resultante F A L L 0 E F L AL 0

18 2.5.2 Elasticidad Módulo de elasticidad: Elástico-lineal (mayoría de los materiales) Ley de Hooke: Para materiales elásticos la tensión es linealmente proporcional a la deformación y independiente del tiempo. F 1 E Elásticolinear = E

19 2.5.2 Elasticidad Módulo de elasticidad: Elástico-lineal (mayoría de los materiales) Ley de Hooke: Para materiales elásticos la tensión es linealmente proporcional a la deformación y independiente del tiempo. 500 Stress (MPa) CONT INUED (300 0) MPa E 2x10 ( ) 5 MPa Strain

20 2.5.2 Elasticidad Módulo de elasticidad: Elástico-lineal (mayoría de los materiales) Elástico-no lineal (Hormigón y muchos polímeros) Módulo tangente Verificación de tensiones límites Módulo secante Verificación de deformaciones en servicio

21 2.5.2 Elasticidad Módulo de elasticidad: Factores que afectan el módulo de elasticidad Temperatura Porosidad Humedad Temperatura Módulo de elasticidad Porosidad Módulo de elasticidad

22 2.5.2 Elasticidad Coeficiente de Poisson: La compresión o tracción de cualquier estructura cristalina en una única dirección también causa una deformación en la dirección perpendicular a la de aplicación de la carga x x z y z Deformación Lateral z Deformación Longitudinal Valores de ν: Sin cambio de volumen = 0.5 Polímero = 0.4 Cerámico = 0.2 Mayoría de Metales=0.25 < ν < 0.35 en la región elástica

23 2.5.2 Elasticidad Módulo de deformación cortante:

24 Shear Stress Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Elasticidad Módulo de deformación cortante: Shear Strain, Shear Stress, Shear Strain tg dx H G tg G E 2 1

25 2.5.3 Plasticidad La deformación plástica produce cambios en la estructura interna del material que no se recupera una vez cesa la carga. (La deformación queda permanente) σ d d plástica d elástica 1. Inicial 2. Carga 3. Descarga p lanes still sheared d elástica + plástica d plastic F

26 2.5.3 Plasticidad La deformación plástica produce cambios en la estructura interna del material que no se recupera una vez cesa la carga. (La deformación queda permanente) Antes de la deformación Después de la deformación

27 Stress Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Plasticidad Elastic Plastic Elastic Plastic S y Elastic Plastic S y S y Strain Mayoría Metales - Al, Cu Aleaciones Al Acero bajo carbono

28 Tensión Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Plasticidad P (,) e p e p E e Deformación Total Plástica p e Deformación Elástica El límite elástico es la tensión que produce una deformación plástica (permanente)

29 Tensión Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Plasticidad Cargando Cargando Recarga Descargando Descargando Deformación elastic strain Deformación

30 Elongación Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Ductilidad Deformación plástica que ocurre hasta el fallo del material EL% L f L o L o x 100 Reducción Área L o L f RA% A o A f A o x 100 A o A f

31 Engineering Stress Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Ductilidad Ductil x Frágil Dúctil si EL% > 5% (aproximadamente) Frágil si EL% < 5% (aproximadamente) Engineering Strain

32 2.5.4 Ductilidad Ductil x Frágil Dúctil si EL% > 5% (aproximadamente) Frágil si EL% < 5% (aproximadamente) %AL reducido (frágil si %AL<5%) %AL elevado (dúctil si %AL>5%)

33 2.5.4 Ductilidad Tensión Real (teniendo en cuenta la reducción de la sección transversal) r K r n K y n son constantes que dependen del material Material n K (MPa) Acero con bajo contenido de C 0, Acero 4340 recocido 0, Acero inox 304 recocido 0, Alumínio recocido 0,2 180 Liga de Alumínio 2024 T 0, Cobre recocido 0, Latón recocido 0,49 895

34 2.5.5 Tenacidad y Resiliencia Resiliencia: Una medida de la capacidad de una material para absorber energía sin sufrir una deformación permanente o plástica. (J/m 3 or N.mm/mm 3 = MPa) Tenacidad: Una medida de la capacidad de un material para absorber energía sin romperse. (J/m 3 o N.mm/mm 3 = MPa)

35 Engineering Stress, =P/Ao Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Tenacidad y Resiliencia Resiliencia, U r y X E U r d o 2 y 2E y y y 2 e y Engineering Strain, = DL/Lo)

36 Engineering Stress, S=P/Ao Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Tenacidad y Resiliencia Tenacidad, U t y U t f d o ( y u ) EL% Engineering Strain, e = DL/Lo)

37 2.5.5 Tenacidad y Resiliencia Clasificación de los materiales en función de la ductilidad Baja tenacidad (cerámica) Elevada tenacidad (metales) Baja tenacidad (polímeros)

38 2.5.6 Dureza Definición: Resistencia del material a la deformación plástica localizada La dureza elevada está relacionada con: Resistencia a la deformación plástica y fallo por fisuración Mayor resistencia al desgaste Mayor resistencia a tracción (Estimación por ensayo no destructivo)

39 2.5.6 Dureza Ensayos para medir dureza Penetrador D d Medida de la huella Dureza d

40 2.5.6 Dureza Ensayos para medir dureza Rockwell: Se determina un nº de dureza a partir de la diferencia de profundidad de penetración. Los penetradores son bolas esféricas de acero endurecido. Brinell: se fuerza un penetrador duro esférico en la superficie del metal a ensayar Vickers: se fuerza un penetrador en forma de pirámide de diamante. La marca resultante se observa al microscopio Rockwell Brinell Vickers

41 2.5.6 Dureza Ensayos para medir dureza

42 2.5.6 Dureza Relación entre dureza y resistencia a tracción

43 2.5.7 Fluencia Deformación lenta y progresiva (creciente) con el paso del tiempo en materiales sometidos a una tensión constante Se determina a tracción, compresión, cizalla y flexión. Los tiempos de ensayo son muy largos.

44 2.5.7 Fluencia Deformación lenta y progresiva (creciente) con el paso del tiempo en materiales sometidos a una tensión constante Se determina a tracción, compresión, cizalla y flexión. Los tiempos de ensayo son muy largos.

45 Fluencia t r a n Deformación E D C V 0 Deformación instantánea B A Fluencia primaria V 0 Fluencia secundaria t n A e E RT Fluencia terciaria Tiempo

46 2.5.7 Fluencia Ensayos para determinar la fluencia Método: Medir deformaciones con el tiempo en probetas en condición de tensión y temperatura constante Resultados: Curva tensión-tiempo Principales parámetros: V0 y tr

47 2.5.7 Fluencia Factores que afectan la fluencia Temperatura Deformación Temperatura Deformación V 0 T 4 = 40ºC T 3 = 30º C T 2 = 20ºC T 1 = 10ºC t r Tiempo

48 2.5.7 Fluencia Factores que afectan la fluencia Temperatura Tensión Deformación Tensión Deformación V 0 σ 4 = 40 MPa σ 3 = 30 MPa σ 2 = 20 MPa σ 1 = 10 MPa t r Tiempo

49 2.5.8 Fatiga Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Fallo debido a la variación cíclica de tensiones Aparición de 1ª fisura Propagación Fallo Cuidado!

50 2.5.8 Fatiga Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Fallo debido a la variación cíclica de tensiones Tensión σ max σ max σ min Tiempo σ min Δσ Período σ media

51 2.5.8 Fatiga Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Proceso de fractura Deformación plástica Nacimiento de la fisura (5-10% del tiempo total) Desarrollo de la fisura y expansión Fractura rápida Las fisuras crecen perpendicularmente a la tensión. Solamente crecen los más agudos. Fractura típica a fatiga Comienza por la superficie. tracción fatiga < tracción estático

52 2.5.8 Fatiga Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas La rotura se produce en dos formas: Fatiga por ciclos cortos: La tensión máxima en cualquier ciclo es mayor a la tensión de plastificación y menor a la resistencia a tracción estática y el número de ciclos de carga es menor que Fatiga por ciclos largos: la tensión máxima es inferior a la tensión de plastificación. Se necesitan ciclos de carga.

53 2.5.8 Fatiga Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Amplitud de tensión (Δσ) k a N Límite de fatiga Resistencia límite Metales ferrosos y aleaciones Mayoría de los materiales Vida útil límite Número de ciclos de carga (log N)

54 2.5.8 Fatiga Amplitud de tensión Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Límite de fatiga Metales ferrosos y aleaciones Número de ciclos de carga (log N)

55 2.5.8 Fatiga Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Amplitud de tensión Resistencia límite Resistencia para vida útil límite Mayoría de los materiales Vida útil para resistencia límite Vida útil límite Número de ciclos de carga (log N)

56 2.5.8 Fatiga Factores que afectan la fatiga: Temperatura Amplitud de tensiones Período de los ciclos (Frecuencia) Efectos de superficie Con esquinas Redondeados

57 2.5.8 Fatiga Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas Mejora la resistencia a fatiga Mejora del diseño: Reducir los cambios de sección bruscos, redondear los contornos Mejora de los métodos de elaboración Aumento de la resistencia a tracción: mejor aleación Endurecimiento superficial Inducción de compresión en la superficie Con esquinas Redondeados

58 Elasticidad Módulo de elasticidad o Módulo de Young (MPa) Resistencia Plástica, Última, Fractura. Medido como tensión (MPa) Ductilidad Medida de la habilidad de deformar plásticamente sin fractura - Alargamiento, reducción de área, Deformación de fractura - (no unidades o mm/mm) Tenacidad, Resiliencia Medición de la habilidad para absorber energía (J/m 3 ). Dureza - Resistencia a la deformación plástica localizada (Varias escalas, p.e.; Rockwell, Brinell, Vickers.) Fluencia- Lenta y progresiva deformación de un material con el tiempo Fatiga Rotura debido a cargas cíclicas