Tema 7.- Ensayos mecánicos

Transcripción

1 BLOQUE III.- CARACTERIZACIÓN Y PROPIEDADES Tema 7.- Ensayos * William F. Smith Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Tercera Edición. Ed. Mc-Graw Hill * James F. Shackerlford Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros. Cuarta edición. Ed. Prentice Hall (1998) 1

2 objetivos Conocerla importancia de la evaluación de las propiedades mecánicas Explicar y entender que es tensión-deformación Deformación elástica y plástica Coeficiente de Poisson Tensión de cizalladura Describir el ensayo de tracción Curva de tensión-deformación nominal o ingenieríl Curva de tensión-deformación real Describir el ensayo de compresión Conocer el ensayo a flexión Explicar el ensayo de cizalladura Explicar el ensayo de dureza 2

3 Ensayo de tracción uniaxial Los materiales, bajo esfuerzos de tracción o compresión, se deforman primero elásticamente (deformación recuperable) y luego plásticamente (deformación permanente) Probeta sometida a una fuerza de tensión uniaxial a velocidad constante Diagrama de tensión-deformación v=cte Resultado del ensayo Ensayo más utilizado: NORMALIZADO 3

4 Maquina de Tracción Evolución de las probetas rectangulares durante el ensayo de tracción (la zona central es la que soporta mayor deformación, y por esa zona romperá) 4

5 Geometría de las probetas: Normalizadas Rectangulares Muestra no tensionada Muestra tensionada Longitud entre marcas Cilíndricas Longitud calibrada 5

6 Curva tensión-deformación TENSIÓN NOMINAL (σ n ) Deformación ELÁSTICA Linealidad Deformación No permanente Zona Elástica Zona Plástica DEFORMACIÓN NOMINAL (ε n ) Deformación PLÁSTICA Al cesar la tensión sobre una probeta, la probeta experimenta una cambio permanente respecto a sus dimensiones originales. Los átomos son desplazados permanentemente de sus posiciones originales y toman nuevas posiciones La posibilidad de deformación plástica del acero posibilita que partes del automóvil (parachoques, cubiertas y puertas) se puedan troquelar mecánicamente sin romperse el metal 7

7 Parámetros: Curva tensión-deformación TENSIÓN NOMINAL (σ n ) DEFORMACIÓN NOMINAL (ε n ) Módulo de Young o Módulo de Elasticidad( E) Límite elástico (σ y ) a un 0.2% Resistencia máxima a la tracción Tensión de fractura Deformación plástica o ductilidad Resiliencia o Energía absorbida 8

8 Curva tensión-deformación Tensión/esfuerzo nominal (σn): σ n = F A 0 Unidades del S.I.: N/m 2 = Pa 1 N/mm 2 = 1 MPa Sistema anglosajón: psi = lb/pul 2 1 psi= 6, Pa Deformación nominal (ε): 1638: Galileo Galilei La carga de fractura de una barra en tensión es proporcional a A 0 e independiente de Lo ε = L/L 0 S.I.: m/m (adimensional) %ε = ( L/L 0 ) 100 9

9 Curva tensión-deformación TENSIÓN NOMINAL (σ n ) DEFORMACIÓN NOMINAL (ε n ) Zona Elástica Deformación elástica σ<σ y I) Zona Lineal σ = E ε Ley de Hooke E: Módulo de Elasticidad ó de Young: rigidez material o resistencia a la deformación elástica (no permanente) Al retirar carga/tensión pieza recupera forma original (No deformación permanente) 10

10 Deformación elástica: escala atómica E= f (fuerza de enlace) si Fuerza de enlace entre átomos E Mecanismo asociado a la def. Elástica= Relajación enlaces. E = F r r 0 En general: E cerámicos (cov. y/o ionic)>e metales (met) >E polímeros (secund entre cadenas) 11

11 Módulo de elasticidad 12

12 Curva Tensión-deformación: E: F(temperatura) Al aumentar la Temp debilitamiento de los enlaces ( rigidez estructura) del Mod. Young 13

13 Deformación elástica σ<σ y 2) No lineal: Se produce en algunos materiales (algunos polímeros, hormigón, fundición gris, etc ) σ 2 σ ε Módulo Tangente en σ 2 σ 1 σ ε Módulo Secante entre origen y σ 1 Deformación 14

14 Parámetros: curva tensión-deformación Límite elástico (σ y ) : σ a partir de la cual se produce deformación permanente ε deja de ser proporcional a σ Ruptura y formación de nuevos enlaces No recupera la forma inicial SHACKELFORD, J.F.:.: "Int. a la C. de Materiales para ingenieros", Prentice Hall, 4ª 4 Edición, Madrid,

15 Curva tensión-deformación: Limite elástico (I) Límite elástico (σ y ) : σ a partir de la cual se produce deformación permanente para F 0 ε (perma nente) = ε [elast+plást] para F=0 ε (perma nente) = ε [plást]) Criterios de Cálculo del Límite Elástico (I) Dependiendo de la deformación del material se adoptan criterios: El + admitido en metálicos 0,2% de la ε elástica Límite Elástico Convencional SHACKELFORD, J.F.:.: "Int. a la C. de Materiales para ingenieros", Prentice Hall, 4ª 4 Edición, Madrid,

16 Curva tensión-deformación: Limite elástico (I) Criterios de Cálculo del Límite Elástico (II) Fenómeno de discontinuidad en el punto de fluencia: (Ej: aceros, algunos polímeros, etc... σ y = σ max + σ min 2 17

17 Curva tensión-deformación: Zona plástica Resistencia a la tracción: máxima tensión nominal que soporta la probeta a tracción TENSIÓN NOMINAL (σ n ) Resistencia de rotura: tensión que soporta el material en el pto de rotura. DEFORMACIÓN NOMINAL (ε n ) 19

18 Curva tensión-deformación: Ductilidad Medida del grado de deformación plástica que puede ser soportada por un material antes de la rotura 1. Deformación porcentual total: aumento porcentual de la deformación que experimenta la probeta ε(%) = l f l - l 0 0 x % Reducción área (estricción): A0 - A f AR(%) = x 100 A0 3. Área bajo la curva Tensión Frágil Dúctil Materiales que son frágiles presenten poca deformación plástica (Ej: cerámicas y vidrios) Deformación 22

19 Ductilidad -Temperatura Tensión (MPa) Mayor temperatura: mayor ductilidad Deformación 24

20 Curva tensión-deformación: Resiliencia Resiliencia.- Capacidad de un material de absorber E elástica cuando es deformado hasta alcanzar el limite elástico Área bajo la curva Modulo de resiliencia, Ur.- E deformación deformar un material hasta límite elástico. U r = ε 0 por unidad de V necesaria para y σ dε Integrando, si la región elástica es lineal 1 = σ y ε y 2 σ Materiales con Resiliencia: σ y E APLICACIÓN: diferentes aleaciones para fabricar muelles U ε r y = y E (Ley de U Hooke) r 1 σ y = 2 E 2 25

21 Curvas tensión-deformación verdaderas (II) Tensión real o verdadera (σ r ): F F A0 σ r = = = σ n A A0 A A0 A Como V = 0 se cumple que V= A o L o = cte =A intantáneo L instantáneo L σ r = σ n = σ n (1 + ε n ) L 0 (hasta comienzo estricción) Para ε pequeñas : ε r = ln (1 + ε n ) ε n σ r = σ n (1 + ε n ) σ n 27

22 Coeficiente de Poisson, υ Relación entre las deformaciones laterales y axiales Toda deformación elástica longitudinal dimensional Lateral x y z υ = ε ε lateral longitudinal = ε x ε z = ε y ε Materiales ideales: υ=0.5 Materiales reales: υ= z Conocer Comportamiento elástico: υ y E υ Caucho natural 0,39-0,49 Polímeros 0,3-0,45 Metales 0,25-0,4 28

23 Ensayo de Cizalladura A. Tensión de cizalladura (τ, en Pa): a τ = P A s s P s = carga aplicada A s = área de la muestra paralela a la dirección de aplicación de la carga h θ Deformación de cizalladura (γ): a γ = tg θ h = a: desplazamiento por cizalla h: distancia sobre la que actúa la cizalla Cizalla puramente elástica: τ = G γ G = Mód. De cizalladura o de rigidez o de Coulomb ( da idea de la rigidez) Existe una relación ente módulos: E = 2 G (1 + υ) υ: modulo de Poisson 29

24 Ensayo de Compresión Menos habitual que tracción Se emplea: Para conocer comportamiento de material bajo def. permanentes grandes Cuando material presenta comportamiento frágil a tracción. ( Ej: cerámicos y vidrios: No deformación plástica) Forma de realización: Similar a tracción (ahora F es compresiva) F compresión = - F tracción Carga de compresión contracción y deformación lineal negativa Carga de tracción alargamiento y deformación lineal positiva 30

25 Maquina de ensayo-probeta de compresión Tensión, σ (Mpa) resistentes a compresión Débiles a tracción Deformación, ε 31

26 Ensayo de flexión Evalúa el comportamiento esfuerzo-deformación y la resistencia a la flexión de materiales frágiles: Resistencia a flexión es equivalente al módulo de rotura de los cerámicos Adecuado: cerámicos, vidrios y polímeros Esquema del ensayo de flexión en tres puntos 34

27 Ensayo de Dureza (I) Resistencia superficial que presenta un material a la deformación plástica localizada. Dureza relacionada con resistencia a la tracción y límite elástico Se determina forzando con un penetrador sobre su superficie Medición de huella realizada con un penetrador Clasificación = f (carga y penetrador) Bola, pirámide o cono (material muy duro) A.- Ensayo Brinell (HBW) B.- Ensayo Rockwell (HR) C.- Ensayo Vickers (HV) D.- Ensayo de dureza superficial: Vickers y Rockwell E.- Ensayo de microdureza: Vickers. SHACKELFORD, J.F.: "Int. a la Ciencia de Materiales para ingenieros", Prentice Hall, 4ª Edición, Madrid,

28 Resistencia a la abrasión 1. Escala de Mohs (1882) Aplicación en geología o mineralogía Cada material es rayado por los de escala superior Material Talco Yeso Caliza Fluorita Apatita Feldespato Cuarzo Topacio Safiro (corindón) Diamante Escala Nuevos Durómetros especialmente diseñados para la determinación exacta/precisa de la dureza 36

29 37

30 Dureza en polímeros 38

31 A.- Dureza Brinell (HBW) Bola de acero duro/carburo de W (φ=10 mm) Se oprime contra la superficie del metal y se mide el diámetro de la impresión, generalmente de 2 a 6 mm) H = P S = P D π ( D D D i P= Peso aplicado en kg S= Superficie del casquete esférico en mm 2 D= Diámetro de la bola en mm (de carburo de W) Di= Diámetro del casquete esférico. Factor de carga = P = carga de ensayo; D= Ø de bola Para espesores pequeños (chapones) D (5, 2.5, 1.25 y mm) Diámetro Bola D mm , , ,5 46,9 11,7 15,6 3,91 Q = Factor de carga Q ,5 5 Cargas en kg ,81 1,953 P 2 D = cte 2, ,5 15,6 3,91 0,977 39

32 Dureza Rockwell (HR) La dureza es función de la profundidad de penetración. Precarga: 10 Kg Carga: Kg Penetradores: 1) bolas de acero templado ( Materiales blandos) 2) cono de diamante tallado con ángulo de 120º ( Materiales duros) Medida Se aplican 2 cargas sucesivas a un penetrador y se mide la profundidad de La huella, h. 40

33 Diferentes escalas en función de carga y penetrador. Ventajas Rapidez Ensayo para todo tipo de materiales. Gran precisión (± 0.002mm ± 1unidad) Pueden usarlo personas no cualificadas. Polímeros 41

34 Microdureza Vickers (HV) Penetrador: diamante tallado en forma de pirámide cuadrangular con 136º entre caras El valor de la dureza es función de la diagonal de la huella =f (área de la pirámide) HV30 ó HV15 ó HV10...(HVkgf) F= Fuerza en kgf [1-120]kg d = Media aritmética entre las diagonales d 1 y d 2 en mm. Tiempo= s Medida: 345 HV30-25 ( HVkgf-s) 42

35 Dureza Vickers (HV) Ventajas Dureza Vickers Resultado Universal, el valor es indpte de la carga Con un único penetrador se mide una amplia gama de materiales Posibilidad de medir piezas delgadas ( 0.05mm de espesor) Se puede medir dureza superficial Más precisa que la escala Rockwell (1u. RocKwel = 32,5 u. Vickers) Precauciones para ensayo de dureza (en general) Superficie lisa y al eje de aplicación de carga Superficie pulida y limpia de óxidos, carburos, grasa,... Distancia al borde de pieza > 4 φ (Brinell o Rockwell) Espesor de la probeta > 2 φ (Brinell o Rockwell) > 1.5 veces la diagonal de huella (Vickers) 43

36 Escalas de dureza 46

37 47

38 Fluencia y Curvas de Fluencia 54

39 55