Ciencia de Materiales 2º curso / GIE – GIEA - GIM 1 ¿Qué vamos a estudiar? Importancia del estudio de las propiedades mecánicas Tensión-deformación Deformación elástica y plástica Ensayo tracción Curva tensión-deformación Propiedades mecánicas Módulo de elasticidad Límite elástico Resistencia a la tracción Ductilidad Resiliencia Tenacidad Dureza 2 Introducción Los materiales en condiciones de servicio están sometidos a diferentes cargas. Es necesario conocer la respuesta a la aplicación de esa fuerza que dará lugar a una deformación. 3 Introducción Las propiedades mecánicas de los materiales definen el comportamiento de los materiales ante fuerzas exteriores que tienden a alterar su equilibrio. Se determinan realizando ensayos que reproduzcan las condiciones de servicio. Para ello se debe tener en cuenta: tipo de carga aplicada, duración, magnitud (constante o fluctuante), tiempo de aplicación, condiciones del medio ambiente Se utilizan técnicas de ensayo estandarizadas (ASTM). 4 Tensión Tensión (σ): cociente entre fuerza actuante y la superficie de la sección inicial sobre la que actúa. F σ= A0 F representa la carga aplicada (N) A0 representa la sección transversal inicial (m2) Unidades SI: N/m2 = Pa La carga aplicada es estática o varía lentamente con el tiempo y es aplicada uniformemente sobre una sección. 5 Deformación Deformación (ε): cambio de forma o dimensiones debido a la acción de un esfuerzo. l − l0 ∆l ε= = l0 l0 Adimensional Donde l es la longitud de referencia correspondiente a una carga determinada y l0 es la longitud de referencia inicial (base de medida) correspondiente a un valor de tensión nulo. ∆l es el alargamiento correspondiente a esa carga. % deformación= deformación x 100= % alargamiento 6 Tipos de deformación Deformación elástica: es un deformación no permanente, que se recupera completamente al retirar la carga que la provoca. La Elasticidad es la propiedad que presentan los cuerpos sólidos de recuperar la forma y las dimensiones cuando cesan los esfuerzos. Deformación plástica: es una deformación permanente, que no se recupera al retirar la carga que la provoca, aunque sí se recupera una pequeña componente de deformación elástica. Los átomos son desplazados permanentemente de sus posiciones originales y toman nuevas posiciones. 7 Relación entre tensión y deformación: Ley de Hooke. Para pequeñas deformaciones elásticas, existe una proporcionalidad directa entre las tensiones aplicadas y las deformaciones producidas. σ = E ⋅ε Ley de HOOKE E presenta el Módulo de Elasticidad o Módulo de Young, parámetro que mide la resistencia de un material a la deformación elástica. Al retirar la carga /tensión la pieza recupera su forma original, no existe deformación permanente. 8 Ley de Hooke. La Ley de Hooke expresa la ecuación de una recta de pendiente E que pasa por el origen de coordenadas. E = tgα Módulos de elasticidad bajos ⇒ FLEXIBILIDAD Módulos de elasticidad altos ⇒ RIGIDEZ 9 Valores del módulo de elasticidad. 10 Valores del módulo de elasticidad. A L T O S M E D I O S Diamante 1000 Carburo de W 550 Carburo de Si 450 B A J O S Oro 80 Plata 75 Aluminio 70 Granito 60 Hormigón 50 15 Madera ⊥ fibra 3 Polietileno HD 0.7 Polietileno LD 0.2 Caucho 0.05 Espumas 0.005 Alúmina 390 Cromo 290 Níquel 215 Madera ∥ fibra Hierro, aceros 200 Nylon Fundición 180 Valores expresados en GPa (1GPa= 109Pa) B M A U J Y O S 1 Materiales de aplicación práctica en ingeniería E: 103 – 10-3 GPa 11 Valores del módulo de elasticidad. 12 Coeficiente de Poisson: ν La deformación longitudinal elástica de un metal produce un cambio simultáneo de las dimensiones laterales. Si el esfuerzo aplicado es uniaxial y el material es isotrópico, εx y εy son iguales ν =− ε lateral ε longitudinal εy εx =− =− εz εz Para materiales ideales, ν=0.5 En materiales reales el coeficiente de Poisson oscila entre 0.25 y 0.4 ν Caucho natural 0.39-0.49 Polímeros 0.3-0.45 Metales 0.25-0.4 13 Tensión de cizalladura (τ) y deformación de cizalladura (γ) La tensión de cizalladura (τ) es: F τ= A0 donde F es la fuerza aplicada paralelamente a las caras superior e inferior con superficie A0 La deformación de cizalladura (γ) se define como la tangente del ángulo de deformación θ γ = tg θ Para cizalladura puramente elástica, la proporcionalidad entre la deformación a cizalladura y la tensión de cizalladura es: τ = Gγ donde G es el módulo de rigidez 14 Ensayo tracción Se utiliza para ver la resistencia del metal o aleación. Probeta sometida a una fuerza de tensión uniaxial a velocidad constante, generalmente hasta su fractura. 15 Ensayo tracción Máquinas universales de ensayos. 16 Ensayo tracción Probetas: siempre que sea posible se aconseja ajustarse a geometrías normalizadas. Hay diferentes tipos: Probeta redonda con cabeza roscada. Probeta redonda con cabeza lisa. Probeta plana con cabeza (con y sin taladro) 17 Ensayo tracción Procedimiento de ensayo: Se realiza en una Máquina de Ensayo Universal. Se coloca la probeta en las mordazas de sujeción, colocándola perfectamente centrada. Se pone la máquina en funcionamiento. La máquina va aumentando la carga sobre la probeta produciendo en ella un alargamiento. El sistema informático va recogiendo el valor de la carga aplicada y el cambio de longitud que se produce, representando los valores en dos ejes coordenados. 18 Ensayo tracción 19 Propiedades mecánicas – Módulo de elasticidad o Young: E Zona elástica ⇒ Deformación elástica ⇒ σ<σy Zona lineal. Módulo de elasticidad o de Young: E. Indica la rigidez del material o resistencia a la deformación elástica (no permanente). Al retirar la carga/tensión la pieza recupera la forma original, no existe deformación permanente. E es función de la fuerza del enlace entre átomos del material, de manera proporcional. En general: Ecerámicos>Emetales>Epolímeros ∞ Ley de Hooke σ = E ⋅ε 20 Propiedades mecánicas – Módulo de elasticidad o Young: E Efecto de la temperatura Al aumentar la temperatura se debilitan los enlaces y disminuye la rigidez de la estructura ⇒ ⇊ E No lineal En algunos materiales la deformación elástica es NO lineal: polímeros, hormigón, fundición gris, etc. 21 Propiedades mecánicas – Límite elástico: σy Límite elástico: valor de la tensión a partir de la cual se produce la deformación permanente. La deformación deja de ser proporcional a la tensión. Se rompen los enlaces primitivos y se forman nuevos enlaces con lo cual no se recupera la forma inicial. Límite elástico convencional: Valor de la tensión que origina una deformación del 0.2%. Es el más utilizado. Procedimiento: •Paralela a la zona elástica en una deformación de 0.002 hasta cortar la curva. •Línea horizontal para encontrar el valor de la tensión. Criterio de cálculo (II): •Fluencia: Fenómeno de discontinuidad entre zona elástica y plástica. Ej: aceros, algunos polímeros,… σy = σ máx + σ mín 2 22 Propiedades mecánicas – Resistencia a la tracción: σR , UTS Resistencia a la tracción: es la máxima tensión que se alcanza en la curva tensión-deformación. Si este esfuerzo se mantiene se producirá la rotura. La resistencia a la rotura es menor porque se considera el área inicial de la sección. Si tenemos en cuenta la reducción de área, obtendríamos la curva tensión/deformación verdadera. 23 Propiedades mecánicas – Ductilidad La ductilidad mide el grado de deformación plástica que puede soportar un material antes de llegar a la fractura. En función de esta propiedad se clasifican los materiales en dúctiles y frágiles. La ductilidad puede expresarse como: Alargamiento relativo porcentual l f − l0 ⋅100 % EL = l0 Porcentaje de reducción de área A0 − A f % RA = A0 ⋅100 24 Propiedades mecánicas - Resiliencia La resiliencia es la capacidad de un material de absorber energía elástica cuando es deformado hasta alcanzar el límite elástico. Módulo de resiliencia, Ur , es la energía de deformación por unidad de volumen necesaria para deformar un material hasta el límite elástico ⇒ área bajo la curva. εy U r = ∫ σdε 0 Integrando, si la región elástica es lineal. 1 U r = σ yε y 2 Ur = εy = σy E σ y2 2E Materiales resilientes: ⇈ σy ⇊ E ⇒ Aplicación: fabricación de muelles. 25 Propiedades mecánicas - Tenacidad La tenacidad es la capacidad de un material para absorber energía hasta llegar al punto de fractura. En condiciones de carga estática la tenacidad se determina a partir del ensayo tensión –deformación, como el área bajo la curva hasta el punto de fractura. Un material tenaz debe tener alta resistencia y ductilidad. Normalmente los materiales dúctiles tienen mayor tenacidad que los materiales frágiles. 26 Endurecimiento por deformación σ > σY → Régimen plástico ⇒ deformaciones no recuperables. En el nuevo proceso de carga el material tiene una nueva curva de comportamiento y un nuevo limite elástico. Ejemplo: 27 Ensayo tracción cerámicos y polímeros Cerámico Polímero 28 Propiedades mecánicas - Dureza La dureza es una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica localizada. Hay múltiples ensayos para determinar la dureza: Ensayos de dureza por rayado: Escala de Mohs, Ensayo Martens. Ensayos de dureza por rebote: utilizando un esclerómetro. Ensayos de dureza por indentación: Brinell, Vickers, Knoop; Rockwell. Usados en metalurgia. Mohs Martens Escleroscopio 29 Propiedades mecánicas – Dureza: Indentación. Estos métodos evalúan la oposición que ofrece una material a que otro más duro realice una marca en su superficie por el efecto de una presión. Existen diferentes procedimientos de medida dando lugar a las diferentes escalas. La dureza se mide forzando la indentación de un penetrador en la superficie del metal. El penetrador puede tener forma de bola, pirámide o cono. Estará fabricado siempre con un material más duro que el material a ensayar, normalmente acero templado, carburo de tungsteno o diamante En los ensayos normalizados se aplica lentamente una carga conocida presionando el penetrador contra la superficie del material de manera perpendicular. Después de producir la indentación, se retira el penetrador y se calcula un número empírico de dureza basado en el área de corte transversal de la huella producida o en su profundidad. 30 Propiedades mecánicas – Dureza: Indentación. D 31 Propiedades mecánicas – Dureza: Indentación. 32 Dureza – Indentación: Método Brinell, HB. Se presiona un penetrador esférico y duro contra la superficie a ensayo. Mide la huella del casquete esférico que deja una bola de acero endurecido. La dureza se expresa como el cociente entre la carga aplicada en kg y la superficie del casquete medida en mm2 P 2P HB = = A πD D − D 2 − d 2 ( ) 33 Dureza – Indentación: Método Vickers, HV. El indentador es una pirámide de diamante con base cuadrada, formando las caras opuestas en el vértice un ángulo de 136°. La dureza se expresa como el cociente entre la carga en kg y la superficie de la huella proyectada en mm2 HV = P 1.854 ⋅ P = A d2 34 Dureza – Indentación: Método Rockwell, HR. Expresa la dureza en función de la profundidad que alcanza la huella usando indentadores de diamante cónicos y bolas de acero templado. Existen siete variantes de ensayo. Se presiona el indentador contra la superficie en tres pasos: Se aplica una precarga (P0) midiéndose la profundidad alcanzada (e0). Se aumenta la carga de ensayo hasta un valor P1. Se retira la carga P1, manteniéndose P0. se mide la profundidad permanente (e1). La diferencia entre las profundidades es una medida de la dureza del material: t= e1 -e0 HRC = 100 − 500 ⋅ t HRB = 130 − 500 ⋅ t 35 Dureza – Indentación: Método Knoop Utiliza un indentador de diamante con forma de pirámide alargada que presiona con una carga P contra la superficie de la probeta. Se mide la diagonal mayor de la huella (L) tras retirar la carga. Es adecuado para probetas pequeñas o delgadas, y para materiales frágiles (cerámicas y vidrios). P HK = 14.2 ⋅ 2 L 36 Dureza – Conversión de escalas 37 Dureza 38 Dureza – Resistencia Tanto la dureza como la resistencia a la tracción son indicadores de la resistencia de un metal a la deformación plástica. Existe una relación de proporcionalidad que no es igual para todos los metales. En el caso de la mayoría de los aceros el número HB y la resistencia a la tracción están relacionados por la expresión: σ r (MPa ) = 3.45 ⋅ HB 39 Bibliografía: CALLISTER, Jr., W. D. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, vol. 1 y 2, Reverté, 2004 SHACKELFORD, J. F.; GÜEMES, A., Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros, 6ª ed., Prentice Hall, Madrid, 2005. SMITH, W. F., Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, 4ª ed., McGraw Hill, 2006 ASKELAND, D. R., Ciencia e ingeniería de los materiales, Paraninfo- Thomson, 2001 40
