Tema 2: Propiedades de los Materiales Metálicos.

Transcripción

1 Tema 2: Propiedades de los Materiales Metálicos. 1. Propiedades mecánicas. 2. Mecanismos de deformación (Defectos). 3. Comportamiento elasto-plástico. 4. Comportamiento viscoso (fluencia y relajación). 5. Comportamiento dinámico: impacto y fatiga. 6. Mecanismos de fractura en metales MATERIALES II Curso Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara Profesora Ana M.ª Marín Palma

2 Definición: Propiedades mecánicas Son los parámetros que definen el comportamiento de los materiales frente a acciones mecánicas. Pueden variar con el tiempo (durabilidad y envejecimiento) o por las condiciones ambientales. El comportamiento de los materiales frente a acciones de tipo mecánico está ligado a su microestructura. Las propiedades se pueden determinar mediante ensayos de caracterización.

3 Acciones mecánicas sobre los materiales Son todas las variaciones del medio que movilizan mecanismos de tensión en los materiales. Por tanto, producen cargas mecánicas sobre el material. Pueden ser acciones mecánicas directas (fuerzas, desplazamientos impuestos o momentos) o indirectas. Las acciones higrotérmicas pueden suponer acciones mecánicas sobre materiales que tienen limitado su desplazamiento (dilatación térmica o entumecimiento). Dependiendo de la velocidad de carga, se consideran como estáticas (lentas) o dinámicas (rápidas y, normalmente, repetitivas). En función de la duración de la carga pueden ser variables o permanentes (de larga duración).

4 Carga y Tensión Las cargas mecánicas que soportan los materiales de un edificio son consecuencia de las acciones exteriores. Tipos de cargas: Fuerzas, momentos, desplazamientos Cuando se aplica una carga sobre un material, este responde poniendo su microestructura en tensión para alcanzar el equilibrio (Principio de acción y reacción). La tensión ( ) se define como el esfuerzo mecánico que realiza un material para responder a una carga. Se mide en unidades de presión: kg N cm mm 2 1MPa

5 Esfuerzos mecánicos sobre los materiales Existen varios tipos de esfuerzos mecánicos: Con respecto a un eje (axiles): Con respecto a un plano: Compresión Tracción Cortante Giro de un par de fuerzas con respecto a un eje: Torsión. Combinación de esfuerzos axiles: Flexión

6 Esfuerzos mecánicos sobre los materiales Esfuerzo de Tracción Esfuerzo de Compresión Esfuerzo de Cortante Esfuerzo de Torsión Esfuerzo de Flexión

7 Cargas y tensiones axiles (tracción y compresión) Las tensiones producidas por una carga axil (fuerzas de compresión o de tracción) son inversamente proporcionales a la sección de la pieza (área). P A P A (Unidades: kg/cm 2, N/mm 2, Mpa) P

8 Cargas y tensiones de flexión Flexión: tipo de esfuerzo que presenta un elemento alargado apoyado al menos en dos puntos cuando actúa una carga en perpendicular a su eje longitudinal. f M f W M f : momento flector máximo de la sección (depende de la carga aplicada) W: módulo resistente de la sección (depende de la forma de la muestra)

9 Movimiento y Deformación Cuando una pieza de un determinado material se carga mecánicamente, se produce un desplazamiento medible. Este desplazamiento es fruto de la deformación microestructural del material. (las partículas de material se acercan o se alejan entre sí) La deformación es unitaria (adimensional). La deformación unitaria longitudinal (axial) es la relación entre el incremento de longitud y la longitud inicial: ΔL ε L L

10 Coeficiente de Poisson Cuando una pieza de un determinado material sufre una carga axial, se produce una Longitudinal y una Transversal. Ambas deformaciones son perpendiculares entre sí y se relacionan mediante el Coeficiente de Poisson ( ): - εt ε L El signo negativo compensa el hecho de que Longitudinal y Transversal son de signo contrario El Coeficiente de Poisson ( ) depende del material.

11 Módulo de Rigidez (o de Young) Es la relación entre la tensión y la deformación experimentada por un material. E σ ε tanθ Se mide en unidades de presión (igual que la tensión). Si la tensión y la deformación son proporcionales, el Módulo de Rigidez (E) es constante (Ley de Hooke).

12 Mecanismos de deformación (Escala microscópica) La respuesta mecánica de los materiales bajo carga se puede explicar desde una escala atómica. Un material descargado tiene sus átomos en equilibrio por acción de las fuerzas electromagnéticas (enlaces). Al cargar el material, los átomos se juntan o se separan, aumentando las fuerzas interatómicas (repulsión o atracción ) y produciendo tensiones. A esta escala, todos los materiales muestran una tensión proporcional a la deformación (E es constante y se denomina Módulo de Elasticidad teórico).

13 Mecanismos de deformación (Escala macroscópica) La existencia de defectos en los materiales (dislocaciones, fisuras, poros) modifican su comportamiento mecánico a escala macroscópica. A esta escala, la tensión no es proporcional a la deformación (E no es constante, salvo para tensiones muy bajas). Además, los materiales con estructura amorfa presentan comportamientos diferentes a los cristalinos. Se pueden distinguir varios tipos de mecanismos de deformación.

14 Características derivadas de los defectos Los defectos puntuales: Aumentan la resistencia (traban las dislocaciones). Disminuyen la conductividad eléctrica y térmica. Los defectos lineales: Disminuyen la resistencia. Aumentan la ductilidad y la plasticidad. Los defectos superficiales: Influyen en la adherencia, corrosión, dureza, brillo, etc. Fronteras de grano: cortan el desplazamiento de dislocaciones.

15 Mecanismos de deformación (Escala macroscópica)

16 Tipos de Mecanismos de deformación Los principales mecanismos de deformación son tres: Deformación elástica Deformación plástica Deformación viscosa Se trata de mecanismos teóricos que, aunque no se dan puros en la realidad, permiten estudiar y analizar los materiales. Estos mecanismos se suelen combinar (elasto-plástico, visco-elástico, etc.)

17 Comportamiento elástico La deformación instantánea producida por la carga es recuperable (vuelve a su forma original al cesar la carga). Si además cumple la Ley de Hooke, es elástico lineal. Esta proporcionalidad entre y se cumple hasta un valor de tensión límite, llamado Límite elástico ( 0 ). La deformación hasta este punto es elástica ( el ). 0 E σ ε 0 el tanθ el

18 Límite elástico de materiales En los materiales reales, el 0 se calcula referido al Módulo de Young en el origen de la gráfica tensión / deformación, referido a una de 0,002 (0,2 %).

19 Comportamiento plástico (metales) La deformación instantánea del material aumenta a tensión constante. La deformación es no recuperable y reversible Aparece combinado con un comportamiento elástico previo (elasto-plástico), una vez alcanzado el Límite elástico ( 0 ) (también llamado Límite de cedencia). pl 0 ε total ε el ε pl el el total

20 Ductilidad, Tenacidad y Resiliencia La Ductilidad o Deformabilidad es la capacidad de deformación hasta rotura de un material. El área bajo la gráfica / es la Energía absorbida por el material en la fase de carga. Depende de la velocidad de carga: Tenacidad: energía de deformación absorbida por el material hasta rotura, bajo una carga lenta. Resiliencia: energía de deformación absorbida por el material hasta rotura, bajo una carga rápida (impacto). El área bajo la gráfica / en la fase de descarga es la Energía devuelta. La diferencia (E abs -E dev ) es la Energía disipada por el material

21 Comportamiento plástico (metales) Orientación de los granos de un metal por tensiones de tracción Descargado Cargado Los granos se orientan en la dirección de la tensión, deformándose. Para que uno se deforme, los adyacentes deben deformarse también.

22 Endurecimiento Se trata de modificar el material, para que resista mayores tensiones. Procedimientos: - Reducción del tamaño de los granos (dificulta la orientación de los granos y reduce la deformación). - Incorporación de impurezas (aleaciones). - Deformación en frío: aumenta el límite elástico. En general, los procesos de endurecimiento reducen la ductilidad del material.

23 Endurecimiento por deformación Incremento del límite elástico Carga Descarga Recarga Deformación elástica (recuperable)

24 Comportamiento viscoso La deformación diferida del material aumenta bajo carga constante a lo largo del tiempo y sin alcanzar 0. Se diferencia del comportamiento plástico porque: - Depende del tiempo. - No se supera el Límite elástico del material. Se puede decir que el material sólido en tensión fluye como un líquido con elevada viscosidad. Se manifiesta asociado a los comportamientos anteriores: visco-elástico y visco-elasto-plástico.

25 Fluencia y Relajación Son fenómenos producidos por el comportamiento viscoso de los materiales (a largo plazo). Fluencia: aumento de la deformación en el tiempo de un material sometido a tensión constante. Relajación: reducción de la tensión de un material en el tiempo sometido a una deformación constante. P P t i = 0 t f = n Fluencia i > f Relajación

26 Fluencia TRANSITORIA ESTACIONARIA ACELERADA Curva de deformación por fluencia bajo carga constante (Material con comportamiento visco-elasto-plástico)

27 Comportamiento frente a acciones dinámicas La respuesta mecánica de los materiales depende de la velocidad de carga y del número de repeticiones. Normalmente los materiales muestran mayor resistencia al aumentar la velocidad de carga (impactos). Se distinguen tres parámetros de caracterización: Resistencia a impacto: aplicación de una carga muy rápida. El material responde absorbiendo energía (Resiliencia). Fatiga: aplicación de cargas repetidas inferiores a la resistencia estática y repetidamente hasta rotura. La rotura se produce a tensiones inferiores a la resistencia estática. Amortiguamiento: Capacidad de disipación de energía.

28 Fatiga Definición: fenómeno de reducción de la resistencia de los materiales cuando se le aplican solicitaciones repetidas inferiores a la resistencia estática. Afecta a todos los materiales. Se produce por el crecimiento de defectos existentes en los materiales (fabricación, procesado, etc.) Produce la rotura por la repetición de la carga y no por la duración (no confundir con fluencia). Para algunos materiales, hay un valor por debajo del cual no hay fatiga (Límite de fatiga).

29 Fatiga Tensión máxima Tensión variable Tensión media Tensión mínima Tiempo

30 Fatiga

31 Fatiga

32 Fatiga El tipo de carga aplicada y la intensidad condicionan el límite de fatiga. Tipos de cargas: ALTERNATIVAS: invierten el signo de la acción (tracción y compresión). INTERMITENTES: van desde cero a un máximo cada periodo, pero siempre con el mismo signo. PULSATORIAS: varían entre dos valores, distintos de cero, pero del mismo signo.

33 TIPOS DE CARGA Tensión máxima Tracción Compresión Tensión variable Tiempo Rango 0-1 Tensión mínima ALTERNATIVAS Tensión media Tensión variable Rango entre -1 y 0 INTERMITENTES Tensión media Tensión variable Rango entre 0 y +1 PULSATORIAS

34 Fatiga

35 Ensayos de comportamiento dinámico La resistencia de los materiales depende de la velocidad de carga y del número de repeticiones. Ensayos de impacto: Se aplica una carga muy rápida (impacto), se mide la deformación producida y se calcula la Resiliencia (energía absorbida). Ensayos de fatiga: cargas repetidas inferiores a la resistencia estática y repetidamente hasta rotura. La rotura se produce después de un número de ciclos. Se repite el ensayo para diferentes cargas. Algunos materiales presentan una Ley de fatiga (resistencia bajo cargas repetidas < bajo carga estática)

36 Ensayos de impacto Péndulo de Charpy Probetas ensayadas a impacto

37 Ensayos de impacto

38 Ensayos de fatiga Mecanismo de ensayo de fatiga a tracción Gráfica de ensayo de un material con límite de fatiga

39 Mecanismos de fractura Los materiales tienen una capacidad de soportar tensiones limitada, llamada Resistencia mecánica. La Fractura es el fallo de un material cuando se supera su capacidad mecánica (se produce la rotura). La estructura y composición de un material, junto con los defectos (dislocaciones, fisuras, poros) determinan la capacidad mecánica y el tipo de fractura. La fractura depende de otros factores: (velocidad de carga y tiempo de aplicación, historia de carga, repetición de la carga, estado tensional del material).

40 Tipos de fractura Están relacionados con los mecanismos de deformación: Frágil: baja deformación en rotura (elástico). Dúctil: alta deformación en rotura (muy plástico). Por fluencia: rotura por deformación diferida (viscoso). Por fatiga: cargas repetidas inferiores a máxima. Frágil Poco dúctil Dúctil Por Fluencia

41 Ensayo de resistencia a tracción (metales)

42 Ensayo de resistencia a tracción (fractura)

43 Ensayos de fatiga metales (fractura)

44 Ensayos de fluencia (largo plazo)

45 Resumen de comportamiento mecánico Deformación Dependencia del tiempo Recuperable Tipo de fractura Elástica NO SI Frágil Plástica NO NO Dúctil Viscosa SI NO Fluencia Visco-elástica NO (depende de la repetición de carga) Parcialmente Fatiga

46 Tema 2: Propiedades de los Materiales Metálicos. 1. Propiedades mecánicas. 2. Mecanismos de deformación (Defectos). 3. Comportamiento elasto-plástico. 4. Comportamiento viscoso (fluencia y relajación). 5. Comportamiento dinámico: impacto y fatiga. 6. Mecanismos de fractura en metales

47 Mecanismos de deformación Glosario de conceptos del Tema Influencia de los defectos Endurecimiento Endurecimiento por deformación Comportamiento dinámico Impacto Deformación elástica Deformación viscosa Fatiga Límite elástico Fluencia Cargas dinámicas Deformación plástica Relajación Ley de fatiga Ductilidad Ensayos mecánicos Límite de fatiga Tenacidad Resiliencia Ensayos dinámicos Mecanismos de fractura Tipos de fractura

48 Bibliografía de consulta recomendada. Callister, W.; Ciencia e ingeniería de materiales, Ed. Reverté, Smith, W.; Fundamentos de ciencia e ingeniería de los materiales, Ed. McGraw-Hill, 1998.