Tema 1. Propiedades Mecánicas Y Térmicas

MÁSTER PROFESIONAL CIENCIA Y TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES
TEMA I
PROPIEDADES MECÁNICAS
Y TÉRMICAS
ÍNDICE
1 Introducción
2 Ensayo de tracción
3 Ensayos de compresión
4 Ensayo de flexión
5 Ensayo de torsión
6 Tensión equivalente y deformación equivalente
7 Ensayo de tracción sobre probetas entalladas
8 Propiedades térmicas
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Introducción
Resistencia
Rigidez
Deformaciones
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
MÁQUINA DE
ENSAYOS UNIVERSAL
PROBETAS
ISO 6892
ASTM E8M
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
ESTRICCIÓN
ESTRICCIÓN
CARGA DE ROTURA
RESISTENCIA MECÁNICA
LÍMITE ELÁSTICO
ALARGAMIENTO
UNIFORME
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
CURVA TENSIÓN-DEFORMACIÓN
ZONA ELÁSTICA
ZONA PLÁSTICA
DEFORMACIONES
REVERSIBLES
DEFORMACIONES
PERMANENTES
DEFORMACIÓN
Ley de Hooke
εf = (Lf - L0) ·100 / L0
σ=E·ε
tg α = E
E: módulo elástico o
módulo de Young
α
ESTRICCIÓN
Z = (S0 - Sf) ·100 /S0
υ: coeficiente de Poisson
υ = εT/εL
RECUPERACIÓN
ELÁSTICA
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
CURVA TENSIÓN-DEFORMACIÓN
Bandas de Lüders
Atmósferas de Cotrell
FLUENCIA
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
CURVA TENSIÓN-DEFORMACIÓN DE
DIFERENTES ALEACIONES
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
E, σys, σTS  PROPIEDADES INTRÍNSECAS DEL MATERIAL
ALARGAMIENTO DEPENDE DE LA GEOMETRÍA
A = a + c(√S0/l0)
Dl = lf-l0 = al0+b
A = (lf-l0)/l0 = a+b/l0
b = c√S0
A = a + c(√S0/l0)
a y c constantes características de
cada material
K = L0/√(S0)
Para comparar los alargamientos obtenidos a partir de probetas de diferentes geometrías es
inevitable utilizar probetas con idéntica constante de proporcionalidad K
UNE K = 5.65 para materiales metálicos
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
Influencia de la temperatura
Acero dulce
↓T
↑σys y σTS
↓εy Z
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
Influencia de la velocidad de deformación sobre σys
↑ dε/dt  ↑σys
(diferencia más notable a mayor temperatura. A Tª amb. casi constante)
Al Al 6063
Variación de σys
con la velocidad de
deformación
σ = C (dε/dt)m
Tª ambiente: m < 0.1
En caliente: m = 0.1-0.2
-
-
-
-
-
Se aprecia además como al ↓T  ↑σys
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
Influencia de la temperatura y de la velocidad de deformación sobre σys
Rango de velocidades de deformación
de/dt (s-1)
Tipo de ensayos
______________________________________________
10-8 – 10-5 Fluencia
10-5 – 10-1 Tracción/ compresión (“estáticos”)
10-1 – 102
Tracción/compresión dinámicos
102 – 104
Alta velocidad (barras de impacto)
104 – 108
Muy alta velocidad (explosivos, proyectiles)
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
Influencia de la orientación del material: producto laminado
(anisotropía)
Acero: 0.18%C-0.19%Si-1.25%Mn-0.33%P-0.154%S
sys (MPa)
sR (MPa)
A (%)
Z (%)
L
301
503
35
65
T
304
490
24
32
S
286
427
8
8
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
1.1. Curva tensión-deformación verdadera
σv = F/S
Tensión verdadera
S0·L0 = S·L  S = S0 (L0/L)
ε= (L – L0)/L0=(L/L0) -1  L/L0 = 1 + ε
S = S0 · [1/(1+ε)]
Deformación verdadera
L
dεv = dL/L  εv = L0 (dL/L) = ln (L/L0) 
L/L0 = 1+ε
σv = F/S = (F/S0)·(1+ε)
σv = σ (1+ε)
εv = Ln (1+ε)
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
1.1. Curva tensión-deformación verdadera
Relación de Hollomon [zona plástica de deformación uniforme (antes de la estricción)]
σ v = K · εv n
ncoeficiente de endurecimiento por deformación (0,05-0,5 en metales)
Lnσ v = L nK + n L nε v
n
LnK
Ley de Ramberg-Osgood: ev = eev + epv =(sv/E) + a(sv/sys)1/n
αconstante característica del material
Ambas expresiones coinciden cuando la deformación elástica es despreciable
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
1.2. Curvas de tracción de plásticos
Influencia del tiempo
σys
σR
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
sy (MN/m2)
sR (MN/m2)
ef
Diamante
50000
50000
0
Carburo de Silicio
10000
10000
0
Nitruro de Silicio
8000
8000
0
Sïlice
7200
7200
0
Carburo de Wolframio
6000
6000
0
Carburo de Niobio
6000
6000
0
Alúmina
5000
5000
0
Berilia
4000
4000
0
Carburo de Titanio
4000
4000
0
Carburo de Zirconio
4000
4000
0
Carburo de Tántalo
4000
4000
0
Circonia
4000
4000
0
Magnesia
3000
3000
0
180-2000
500-2500
0.010.6
Material
Cobalto y aleaciones
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
Material
sy (MN/m2)
sR (MN/m2)
ef
Aceros baja aleación (templados
en agua y revenidos)
500-1980
680-2400
0.02-0.3
Aceros para depósitos a presión
1500-1900
1500-2000
0.3-0.6
Aceros inoxidables austeníticos
286-500
7601280
0.45-0.65
---
725-1730
---
200-1600
400-2000
0.01-0.6
70
400
0.65
1000
1510
0.01-0.6
Molibdeno y aleaciones
560-1450
665-1650
0.01-0.36
Titanio y aleaciones
180-1320
300-1400
0.06-0.3
Aceros al carbono (templados en
agua y revenidos)
260-1300
500-1880
0.2-0.3
Fundiciones
220-1030
400-1200
0-0.18
60-960
250-1000
0.04-0.55
Cobre
60
400
0.55
CFRPs
---
670-640
---
Compuestos Boro/Epoxi
Aleaciones de Níquel
Níquel
Tungsteno
Aleaciones de Cobre
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
sy (MN/m2)
sR (MN/m2)
ef
100-627
300-700
0.05-0.3
40
200
0.5
Aceros inoxidables ferríticos
240-400
500-800
0.15-0.25
Aleaciones de Cinc
160-421
200-500
0.1-1.0
Hormigón reforzado con acero
---
410
0.02
Hierro
50
200
0.3
80-300
125-380
0.06-0.20
-
100-300
---
34-276
380-620
0.02-0.10
40
220
0.5
PMMA
60-110
110
0.04
Epoxi
30-100
30-120
0.04
Poliimidas
52-90
---
0.07
Nylons
49-87
100
1
Material
Aleaciones de Aluminio
Aluminio
Aleaciones de Magnesio
GFRPs
Berilio y aleaciones
Oro
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
1. Ensayo de tracción
sy (MN/m2)
sR (MN/m2)
ef
85
85
0
34-70
40-70
0.02
Plata
55
300
0.6
ABS/Policarbonato
55
60
1
Maderas comunes
-
35-55
---
PVC
45-48
---
0.05
Polipropileno
19-36
33-36
2
Polietileno alta densidad
20-30
17
5
Hormigón (compresión)
20-30
---
0
---
30
10
6-20
20
6
1
1
0.1-1
Material
Hielo
Poliestireno
Goma natural
Polietileno baja densidad
Espuma de poliuretano
EJERCICIO 1
Determine el módulo elástico, límite elástico, resistencia a la tracción y
alargamiento de la aleación de aluminio cuyo diagrama fuerza-alargamiento a
tracción se presenta. El ensayo se ha realizado sobre una probeta cilíndrica de 6
mm de diámetro y una longitud calibrada entre mordazas de 100 mm.
Determine también la ley de comportamiento de esta aleación: a) ley de Hollomon
y b) ley de Ramberg-Osgood.
R: 71 GPa, 212 MPa, 343 MPa, 9%; K=625 MPa, n=0,2; 0,0045, 5
E
Ø= 6mm
L0= 100mm
S0= П·32 =28,26mm2
FR= 9,8kN
Fys= 6kN
F= 5kN
σys
Fys= 6kN σys= Fys/ S0 = 212,31 MPa
σR
FR= 9,8kN σR= FR / S0 = 346,7 MPa
E= tgα
Δl=0,2mm
E= σ/ε= (F/S0)/((Lf-L0)/L0)=
(5000N/28,26mm2)/(0,2/100) E=88,46GPa
Δl
Δl=9mm
Δl= 9mm;
ε= Δl/l0 = (9mm/100mm)·100= 9%
EJERCICIO 1
Determine también la ley de comportamiento de esta aleación: a) ley de Hollomon y b) ley
de Ramberg-Osgood.
R: 71 GPa, 212 MPa, 343 MPa, 9%; K=625 MPa, n=0,2; 0,0045, 5
Relación de Hollomon:
Ø= 6mm
L0= 100mm
S0= П·32 =28,26mm2
F2=9,6kN
1
σv = K · εvn
1
σv1=(9000/28,26)(1+(5/100))=334,39MPa
εv1= L(1+(5/100))·100= 4,87%
2
F1=9kN
2
Δl2=8mm
Δl1=5mm
σv=σ(1+ε); εv=L(1+ε)
σv2=(9600/28,26)(1+(8/100))=366,88MPa
εv2= L(1+(8/100))·100= 7,69%
σv1/σv2= (εv1/εv2)n
L(σv1/σv2)= n L(εv1/εv2)  n = L(σv1/σv2)/L(εv1/εv2)
n = L(0,91)/L(0,633) = 0,2
n
K = σv / εv = 334,39MPa/(0,0487)0,2 = 612 MPa
Relación de Hollomon:
σv= 612·εv0,2
EJERCICIO 1
Determine también la ley de comportamiento de esta aleación: a) ley de Hollomon
y b) ley de Ramberg-Osgood.
R: 71 GPa, 212 MPa, 343 MPa, 9%; K=625 MPa, n=0,2; 0,0045, 5
Relación de Hollomon:
Ley de Ramberg-Osgood:
σv= K·εvpn  εvp=(σv /K)1/n
ev = eev + epv =(sv/E) + a(sv/sys)1/n
(σv /K)1/n = a(sv/sys)1/n
a = (1/sys)1/n / (1/K)1/n  a = (K/sys) 1/n
(sys= 212MPa, K=612, n=0,2)
a = (sys/K)1/n = 0,005
Ley de Ramberg-Osgood: ev = (sv/88.460) + 0,005(sv/212)1/0,2
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
2. Ensayo de compresión
• No existe inestabilidad (estricción); mayor deformación a
rotura que a tracción
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
2. Ensayo de compresión
Fricción entre las caras de la probeta y las matrices
Abarrilamiento
Tensiones y
deformaciónes no
homogéneas
Reducción: 50%
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
2. Ensayo de compresión
Controlando el efecto del abarrilamiento en los
ensayos de materiales metálicos
y algunos polímeros, las curvas tensióndeformación son equivalentes
para los ensayos de tracción y compresión
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
2. Ensayo de compresión
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
2. Ensayo de compresión
NO SE PUEDE SUPERAR LA FUERZA CRÍTICA DE PANDEO
F crítica = C 2 E d0 / 16 h02
C constante que depende del empotramiento
E módulo elástico
d0  diámetro inicial
h0  longitud inicial
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
3. Ensayo de flexión
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
3. Ensayo de flexión
3.1. Resistencia de las cerámicas
La resistencia a flexión en las cerámicas es aproximadamente un 30%
mayor que su resistencia a tracción
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
3. Ensayo de flexión
3.1. Resistencia de las cerámicas
Poliestireno reforzado con
fibra de carbono
Cerámico
Metal
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
3. Ensayo de flexión
3.1. Resistencia de las cerámicas
Fractura de naturaleza estadística
σTS ⇔ Pf ó Ps
Pf= 1 – PS
(Pf= 0,1-10-8)
Menos resistente
σTS [f(defectos internos)]
Distribución de
Weibull
Ps (V0)= e
m
-(σ/σ0)
σ0, m  ctes del material
(experimentales)
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
3. Ensayo de flexión
3.1. Resistencia de las cerámicas
Distribución de Weibull
Ps (V0)=
σ0= tensión que corresponde a
una Ps(V0) ≈ 37% (=1/e)
e
-(σ/σ0)
m: Tomando doble logaritmo
L [ L (1/Ps (V0) )] = m L (σ/σ0)
m
σ0, m  ctes del material
(experimentales)
Pendiente
de la recta
1/e
σ0~σmedia
m variabilidad tensión
de rotura
↓m  mayor variabilidad
de la σTS
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
3. Ensayo de flexión
3.1. Resistencia de las cerámicas
Ps (V0)=
Volumen
e
m
-(σ/σ0)
V = n V0
Ps (V)= [ Ps (V0) ]n = [ Ps (V0) ]V/V0 = (
Factor tiempo
Fatiga estática
o
Corrosión bajo tensión
(σ/σTest)n = tTest/t
Ps (V) =
e
m
-(σ/σ0) (V/V0)
e
)
-(V/V0)·(σ/σ0)m
σ  tensión de rotura
σT  tensión de rotura medida en los ensayos
(σ de la fórmula de Ps (V))
t  tiempo
tT  tiempo de duración de los ensayos (<1min.)
n  factor característico de cada material
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
3. Ensayo de flexión
3.1. Resistencia de las cerámicas
σ0 a flexión!!!!
EJERCICIO 6
Determínese la tensión de diseño (a tracción) de un rotor de aviación construido
en SiC, de 5kg de peso, que asegure una vida de al menos 10.000 horas.
Tamaño de probetas: V0= 50x3x3mm3.
SiCmaterial cerámico
¿Tensión de diseño a tracción para que dure al menos 10.000 horas?
(σ/σT)n = tT/t  σ = (tT/t)1/n · σT
tT=10s (lo elegimos nosotros)
t = 10.000h
n (tabla, CSi) n=40
σT ¿?
Ps (V) = e
m
- ( V/V0) (σ/σ0)
… tomamos logaritmos y despejamos σ
σ = σ0 · [(-Ln (Ps (V))·( V0/V))]1/m
EJERCICIO 6
σ = σ0 · [(-Ln (Ps (V))·( V0/V))]1/m
σ0 (tabla, CSi)
 σ0 = 350MPa
m (tabla, CSi)
 m = 10
V = m/ρ; ρ (tabla, CSi) = 3.2g/cm3  V = (5000g/3.2g/cm3) = 1526,5cm3
V0 = 50x3x3 mm3 = 450x10-3 cm3
Ps (V) = 1- Pf = 1 - 10-7
Estimamos una Pf = 10-7
Luego:
σ = (tT/t)1/n σT
σ = 350MPa · [(-Ln (1- 10-7))·( 450x10-3/1526.5)]1/10
σ = 31MPa  σT = 31MPa
σ = 31MPa · [10s/(10000hx3600s)]1/40
 σ = 21,25 MPa
a FLEXIÓN !!!!!!!!
Sabemos que los cerámicos tienen una resistencia a flexión aproximadamente un 30%
superior a su resistencia a tracción:
σFLEXIÓN = σTRACCIÓN + 0,3·σTRACCIÓN
σFLEXIÓN = (1+ 0,3)·σTRACCIÓN
σTRACCIÓN = 21.25MPa / 1.03 = 16.34MPa
EJERCICIO 7
Realizados ensayos de tracción sobre 10 probetas de alúmina de 70x5x3 mm3
(estímese un tiempo de duración del ensayo de 1 minuto) se han obtenido los
resultados siguientes:
sR: 272, 410, 402, 320, 371, 315, 418, 351, 335 y 218 MPa
La densidad de la alúmina es 3,8 g/cm3.
a) Determine los parámetros característicos de la distribución estadística de su
resistencia a la flexión.
b) Determine la tensión de diseño a flexión de una pieza crítica de la dirección de
un automóvil de 560 g de peso que asegure una vida de al menos 5000 horas. Se
sabe que el exponente temporal de la alúmina es n=15.
R: σ0 = 367 MPa, m=6; σ = 5MPa
Solución:
a) Resistencia de cerámicas  σTS (V0) distribución de Weibull Ps (V0)=
e
b) ¿Tensión de diseño a flexión para que dure al menos 5.000h?
n=15 (dato)
tT=60s
t = 5.000h
σT ¿?  σT = σ de la fórmula de Ps(V)
(σ/σT)n = tT/t
m
-(σ/σ0)
 σ = (tT/t)1/n· σT
EJERCICIO 7
Ps (V0)=
e
m
σ0= tensión que corresponde a una Ps(V0) ≈ 37%
-(σ/σ0)
L [ L (1/Ps (V0) ] = m L (σ/σ0)
Número total de ensayos
i→
1
2
3
4
5
6
7
σ
218
272
315
320
335
351
371
Pf(V0) = (i-0.5)/n 0.05 0,15
0.25
0,35
0,45
0,55
0,65
0.75
0,65
0,55
0,45
0,35 0,25 0,15
Ps(V0)
0.95 0,85
σ0= tensión que corresponde a una Ps(V0) ≈ 37%  interpolar
(0,45-0.37)/(351-σ0)=(0,37-0,35)/(σ0-371)  σ0=367MPa
8
9
402 410
10
418
0,75 0,85 0,95
0,05
EJERCICIO 7
Ps (V0)=
e
-(σ/σ0)
m
σ0= tensión que corresponde a una Ps(V0) ≈ 37%
L [ L (1/Ps (V0) ] = m L (σ/σ0)
Número total de ensayos
i
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
σ
218
272
315
320
335
351
371
402
410
418
0.25
0,35
0,45
0,55
0,65
0,75 0,85 0,95
0.75
0,65
0,55
0,45
0,35 0,25 0,15
8,31
6,01
5,71
5,625
4,9
3,63
5,82
8,44
0,74 0.86
0,87
0,91
0,96
1,01
1,10
1,12
1,14
Ln( σ/σ0)
-0.52 -0,30 -0.15
-0,14
-0,09 -0,04 0,01 0,09 0,11
0,13
-Ln (Ps(V0))
0.051 0,163 0.288
0,431
0,598
Ln[-Ln (Ps(V0))]
-2.97 -1,817
-0,842 -0,514 -0,225 0.049 0,327 0,64 1,097
Pf(V0) = (i-0.5)/n 0.05 0,15
Ps(V0)
m
σ/σ0
(σ0=367MPa)
0.95 0,85
5,7
0.59
6,06
1.246
0,799
1,05 1,386 1,897 2,996
Para calcular ‘m’ tomamos dos veces Ln en la expresión de Ps(V0)
Ln[Ps(V0)] = -(σ/σ0)m  Ln[-Ln[Ps(V0)] = m Ln(σ/σ0)  m= Ln[-Ln[Ps(V0)]/ Ln(σ/σ0)
m=6.02
0,05
EJERCICIO 7
b) ¿Tensión de diseño a flexión para que dure al menos 5.000h?
n=15 (dato)
tT=60s
t = 5.000h
σT ¿?  σT = σ de la fórmula de Ps(V)
(σ/σT)n = tT/t
 σ = (tT/t)1/n· σT
 σ = σ0 · [(-Ln (Ps(V))·(V0/V))]1/m
Estimamos una Pf = 10-6  Ps(V) = 1- Pf = 1- 10-6
V= m/ρ = 560g/3,8 g/cm3 = 147,368cm3 = 147368mm3
Vo =
70x5x3mm3=
 V0/V= 0.007125
1050mm3
σ = σ0 · [(-Ln (Ps(V))·(V0/V))]1/m = 367MPa·[(-Ln(1-10-6))·(0.007125)]1/6,02
σ = 16.2MPa  σT = 16.2MPa
Finalmente:
σ = (tT/t)1/n· σT = (60s/(5000hx3600s))1/15 x 16.2MPa = 6.98MPa a TRACCIÓN!!
A Flexión: σFLEXIÓN = σTRACCIÓN + 0,3·σTRACCIÓN
σFLEXIÓN = (1+ 0,3)·σTRACCIÓN
σFLEXIÓN = 6.98MPa * 1.3 = 9,074 MPa
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
4. Ensayo de torsión
2a
Par torsor
Deformación angular: g = tg f = r q / L
Esfuerzo de cizalladura: t = MT r / J
J momento polar de inercia de la barra
r=a tmax = 16MT /(2a)3
r=0 tmin = 0
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
4. Ensayo de torsión
Al Ni (Waspaloy), de/dt = 1s-1
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
5. Tensión equivalente y deformación equivalente
s1, s2, s3  tensiones principales
seq. = (1/√2) ((s1-s2)2 + (s2-s3)2 + (s3-s1)2)1/2
Tensión media: sm = (1/3) (s1 + s2 + s3)
Parámetro de triaxialidad: b = 3 sm/seq.
eeq. = (2/3)(e1 + e2 + e3)1/2
a) Tracción uniaxial
b) Compresión uniaxial
c) Tracción biaxial
d) Tracción triaxial
e) Tracción+Compresión biaxial
Ensayo
Tens. Principales
seq.
sm
______________________________________________
Tracción
s1, s2=s3=0
s1
s1/3
Compresión
- s1, s2=s3=0
-s1
-s1/3
Torsión
s1 = - s2, s3=0
√3 s1
0
b
1.0
-1.0
0
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
5. Tensión equivalente y deformación equivalente
↑b ↓ εf
Ductilidad
f(segundas fases y de su geometría)
↑segundas fases ↓ ductilidad
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
6. Ensayo de tracción sobre probetas entalladas
Entallas alta triaxialidad
(↑b)
b = 1,65
b = 2,43
b = 3,36
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
PROPIEDADES TÉRMICAS
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
7. Propiedades térmicas
Temperatura de fusión - Temperatura de ablandamiento
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
7. Propiedades térmicas
λ: CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
Capacidad del material para transmitir calor
f(mecanismo de transferencia de calor que opera en las diferentes familias de materiales)
Régimen estacionario
Ley de Fourier
q (W/m2) = λ (T1-T2) / x
λ (W/m·K)
Calor específico (J/kg·K): cantidad de calor que se precisa para incrementar la
temperatura de la unidad de masa de un material un grado Kelvin
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
7. Propiedades térmicas
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
λ
Amplio rango de variación, debido a los distintos mecanismos de transferencia de calor que operan
en las distintas familias de materiales:
Metales: movimiento de electrones libres
Polímeros y cerámicos: movimiento de fonones (movimientos reticulares de onda corta)
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
7. Propiedades térmicas
Flujo de calor transitorio
(por ejemplo aplicar o retirar directamente una fuente de calor sobre la región de un material)
a: DIFUSIVIDAD TÉRMICA
q = f (difusividad térmica del material (a))
a = λ /ρ cp (m2/s)
Densidad (kg/m3)
Calor específico a presión constante
(kJ/kg·K)
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
7. Propiedades térmicas
α: COEFICIENTE DE EXPANSIÓN TÉRMICA
refleja el aumento de longitud que experimenta un material cuando se calienta
ε = α · ΔT
Δl = l0 · α · ΔT
 Mat. Isótropos coeficiente de
expansión térmica volumétrico=3α
 Mat. anisótropos coeficiente de
expansión térmica depende de la dirección
en que se mida
α normalmente es inversamente
proporcional a la temperatura de fusión
α [K-1]
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
7. Propiedades térmicas
COEFICIENTES DE EXPANSIÓN TÉRMICA α (K-1)
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
7. Propiedades térmicas
RCHT: RESISTENCIA AL CHOCHE TÉRMICO
Variación de temperatura que produce la rotura del material
Tensión de
origen térmico
C = CTE
f(restricción del movimiento)
ε
σ = E·ε = E α ΔT/ C
C=1 si es unidireccional
C= (1-μ) si es bidireccional
μ coeficiente
de Poisson
C= (1-2μ) si es tridireccional
La resistencia al choque térmico mide el máximo cambio súbito de temperatura a
que un material es capaz de soportar sin romperse
ΔT = σu·C/α·E; (σu= σTS)
ΔT = σu·C/ α E = f(1/a)=f(cpρ/λ)
RCHT = λ·σu/ E·α·cp·ρ
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
7. Propiedades térmicas
TEMPERATURA DE TRANSICIÓN
Dúctil, tenaz
TT  temperatura de transición
(METALES)
Frágil
Charpy
PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS
7. Propiedades térmicas
TEMPERATURA DE TRANSICIÓN VÍTREA
flexibles, blandos y dúctiles
Tg  temperatura de transición vítrea
(En materiales amorfos (plásticos y cerámicos))
rígidos, resistentes y frágiles
DSC
BARRIDO DE CALORIMETRÍA
DIFERENCIAL