Tema 4 Comportamiento plástico de los sólidos cristalinos
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- Jorge de la Fuente Miguélez
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1 Tema 4 Comportamiento plástico de los sólidos cristalinos 1 Tema 4: Comportamiento plástico de los sólidos cirstalinos 1. Fenomenología de la deformación plástica. Ensayo de tracción: límite elástico, endurecimiento por deformación e inestabilidad plástica 3. Ensayo de compresión 4. Ensayo de torsión 5. Criterios de plastificación 6. Descripción matemática del comportamiento plástico 7. Ensayo de dureza
2 1. Fenomenología de la deformación plástica Todos los materiales presentan una carga característica (límite elástico) Por debajo de ella se comportan elásticamente (al retirar la carga el material vuelve a su forma primitiva) Al sobrepasar la carga los materiales frágiles (cerámicas, vidrio) rompen sin casi deformación permanente LA MAYORIA de materiales, al sobrepasar esa carga, se deforman plásticamente (de forma permanente) Conocer cómo y por qué los materiales deforman plásticamente es muy importante: Para diseñar estructuras que puedan soportar cargas sin quedar dañadas Para diseñar sistemas capaces de introducir deformaciones plásticas 3 1. Fenomenología de la deformación plástica A veces la deformación plástica ayuda a prevenir catástrofes pero demasiada deformación no es buena O necesitamos de ella para conformar los materiales 4
3 . El ensayo de tracción Es un ensayo en el cual una muestra se somete a tracción, típicamente hasta que rompe Se usa para caracterizar el comportamiento a tracción de los materiales Montaje experimental 1. Se amarra la probeta por ambos extremos. Es necesario medir la carga aplicada y el alargamiento de la muestra: 1. Normalmente se usa una celda de carga para medir la fuerza. Normalmente se usa un extensómetro para medir el alargamiento de una longitud calibrada 3. La muestra se somete a tracción (típicamente moviendo un actuador donde está amarrado un extremo de la probeta, mientras el otro permanece fijo) 4. Se registra la carga y el alargamiento de la probeta 5. El ensayo de tracción Montaje experimental Máquina de ensayo Mordaza 6
4 . El ensayo de tracción Montaje experimental Muestra Extensómetro 7. El ensayo de tracción Registro carga-desplazamiento 8
5 . El ensayo de tracción Registro tensión-deformación ingenieriles Registro tensión-deformación verdaderas F ε = u n l σ = n A 0 0 σ true = F A F A exp( ε ) 0 p ε = l true ln l 0 9. El ensayo de tracción Registro tensión-deformación: E (Módulo de Young): Constante de proporcionalidad entre tensión aplicada y deformación resultante dentro del régimen elástico. σ y ó σ 0.% (tensión de fluencia): Tensión que produce en el material una deformación ingenieril permanente del 0.% σ UTS (tensión última): Tensión ingenieril máxima que el material es capaz de soportar. Al alcanzarse esta deformación aparece la estricción. 10
6 . El ensayo de tracción Stress YS Energía plástica Recuperación elástica Strain El área bajo la curva carga-desplazamiento es la energía almacenada en la muestra durante la deformación (elástica + plástica) El área bajo la curva tensión-deformación verdaderas representa la energía almacenada por unidad de volumen (elástica + plástica) del material del que está hecha la probeta 11. El ensayo de tracción Tensión de fluencia de distintos materiales Normas Los ensayos de tracción deben seguir normas establecidas que dependen de la forma y de las condiciones de ensayo. Ejemplos de normas ASTM (American Standard for Testing Materials) E 8-00 Materiales metálicos E 1-9 Metales a alta temperatura E Láminas metálicas E Aleaciones estructurales en He líquido (4 K) 1
7 3. El ensayo de compresión Es un ensayo en el que se somete a una probeta a cargas compresivas. Se usa para estudiar el comportamiento de los materiales bajo ese estado de cargas Procedimiento de ensayo 1. Se coloca la muestra entre los platos de la máquina (normalmente se lubrica para reducir la fricción). Como en el ensayo de tracción, es necesario medir la carga aplicada y la deformación: Normalmente se usa una celda de carga para medir la fuerza Normalmente se usa un extensómetro para medir el alargamiento de una longitud calibrada Se aplica una carga compresiva, normalmente moviendo a velocidad controlada uno de los actuadores, mientras el otro permanece estático El ensayo de compresión Máquina de ensayo Probeta de compresión 14
8 3. El ensayo de compresión Abarrilamiento: Consecuencia de la fricción entre platos y muestra Registro tensión deformación F F F σ = σ ε = n ε true = n true = A A A0 exp( ε p ) l u ln l l El ensayo de compresión Límite elástico a compresión de diversos materiales Ejemplos de normas ASTM para ensayos de compresión E 9-89: Metales a alta temperatura E 09-65: Metales a alta temperatura con ciclado térmico 16
9 4. El ensayo de torsión Es una ensayo en que se deforma una muestra aplicándole un par torsor. La deformación plástica alcanzable con este tipo de ensayos es mucho mayo que en los de tracción (estricción) o en los de compresión (abarrilamiento, aumento de sección). Da información directamente del comportamiento a cortadura del material y la información de su comportamiento a tracción se puede deducir fácilmente. Montaje experimental Se amarra la probeta a sus dos extremos Mientras uno de los extremos permanece quieto, el otro se gira. Se registra el par aplicado y el ángulo girado Si se hacen ensayos a alta temperatura (muy normales) se necesita un sistema de calentamiento y un controlador (incluyendo un termopar) El ensayo de torsión Montaje experimental Muestra Banco de torsión Extremo que gira Extremo fijo Horno de inducción 18
10 4. El ensayo de torsión. Registro tensión-deformación Con probetas tubulares T τ = π R t Rα γ = L Normas ASTM: E Norma de ensayo a temperatura ambiente A Norma para alambres F Norma para implantes médicos Criterios de plastificación Tensiones para entrar en plasticidad bajo estados de carga simples: σ > σ y : Tensión de fluencia (a tracción o a compresión) τ > τ y : Tensión de fluencia a cortadura (a torsión o cortadura) Cuando tenemos estados complejos de tensiones (combinación de tensiones normales y cortaduras), la fluencia ocurre cuando una función de las tensiones aplicadas llega a un valor crítico, f σ ) σ ( ij La tensiones hidrostáticas NO producen deformaciones plásticas Los dos principales criterios de plastificación son: Tresca Von Mises 0
11 5. Criterios de plastificación Tresca: El material fluye cuando la máxima tensión de cortadura sobrepasa un valor crítico. Representación - D τ max τ crítica 1 5. Criterios de plastificación Von Mises: El material fluye plásticamente cuando una función de las tensiones aplicadas alcanza un valor crítico: σ σ = 1 1 [( σ σ ) + ( σ σ ) + ( σ σ ) + 6( τ + τ + τ )] = x y x z y z xy yz xz [( σ σ ) + ( σ σ ) + ( σ σ ) ] 1/ / Representación - D
12 6. Descripción matemática del comportamiento plástico Le comportamiento elástico se puede describir fácilmente por una recta (pendiente E) La mayoría de los materiales endurecen al deformarlos plásticamente (endurecimiento por deformación) σ σ y E ε J.H. Hollomon propuso en 1945 una ecuación de ajuste para el endurecimiento por deformación σ n σ = K ε p ε p 3 6. Descripción matemática del comportamiento plástico Voce (1948) propuso unos ajustes diferentes (más adecuados para aleaciones no férreas y grandes deformaciones). [ exp( )] σ = σ s Bε 1 p dσ dε = s B( σ σ ) σ 1, σ1 s 0,8 0,6 0,4 0, 0 0 0,5 1 1,5,5 3 3,5 ε p 4
13 7. Ensayo de dureza La dureza se define como la resistencia de los materiales a las deformaciones permanentes (plásticas) En un ensayo de dureza se mide la resistencia a la deformación de los materiales midiendo el tamaño de una indentación realizada a una carga determinada. Este tipo de ensayos se usan mucho en la industria porque: Son sencillos y rápidos Son no destructivos 5 7. Dureza El indentador (montaje experimental) Se coloca la muestra bajo el indentador Se realiza una indentación a una carga conocida Se mide el tamaño de la huella Se calcula la dureza con la correlaciones entre las dimensiones medidas y las distintas escalas de dureza 6
14 7. Ensayos/Escalas de dureza Fuente: W.F. Smith & J. Hashemi Foundations of Materials Science and Engineering 7 7. Dureza. Ejemplos Metales Cerámicas Material Brinell, HB Rockwell, HR* Aluminio recocido 0 Aleaciones Al endurecidas 90 5B Hierro colado C Bronce B Plomo 4 Acero B Titanio alta puereza 00 95B Zinc 30 Material Vickers, HV Knoop, HK Acero herramienta Widia (WC-Co) Alúmina Carburo de silicio Carburo de titanio Nitruro de boro cúbico (BN) Diamante sintetizado Diamante natural Polímeros Material Brinell, HB Nylon 1 Polietileno baja densidad Polietileno alta densidad 4 Polipropileno 7 Poliestireno 0 Cloruro de polivinilo 10 8
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