TEMA 6: PROPIETATS I ASSAIGS 1. ELS MATERIALS I ELS PROCESSOS INDUSTRIALS Els materials són, juntament amb l’energia, els dos elements imprescindibles per iniciar un procés industrial. Per aquest motiu és importantíssim conèixer bé les propietats dels materials que utilitzarem. En qualsevol procés industrial cal elaborar un projecte abans de dur-lo a terme. En aquest projecte cal triar els materials a utilitzar, tenint en compte que hi intervenen molts factors diferents, i per tant caldrà tenir en compte els diferents CRITERIS DE SELECCIÓ DE MATERIALS. - Les propietats: s’han d’adequar a l’ús de l’objecte a fabricar (resistent a Tª, lleugeresa, conductivitat, flexibilitat,...). Les qualitats estètiques: color, textura, forma,... El procés de fabricació: cal tenir en compte la maquinària, si els operaris dominen les tècniques,... El cost: tant de matèries primeres com dels processos. La disponibilitat: cal tenir en compte la vida prevista al mercat del producte, i si aquesta és llarga cal assegurar que disposarem de material en el futur. L’impacte ambiental: de les operacions d’extracció i/o transformació de les MP i del reciclatge o reutilització del producte quan ha finalitzat la seva vida útil. 2. PROPIETATS MECÀNIQUES Les propietats mecàniques descriuen el comportament dels materials davant d’esforços (forces) que intenten estirar-los, aixafar-los, retorçar-los, doblegar-los, tallar-los, trencar-los amb un cop sec,... Aquestes propietats són degudes a les forces de cohesió dels àtoms, que s’oposen a esforços externs que apliquem als materials. RESISTÈNCIA MECÀNICA I ASSAIG DE TRACCIÓ: La resistència mecànica es la capacitat que té un material per suportar esforços sense deformar-se o trencar-se. Es distingeixen diferents tipus d’esforç: - A la tracció: quan intentan estirar. - A la compressió: quan intenten aixafar. - A la flexió: quan intentan doblegar. - A la torsión: quan intenten retorçar. - Al cisallament: quan intenten rallar. Els esforços de flexió es poden considerar, en general, com una combinació d’esforços, ja que un material sotmès a flexió presenta una zona sotmesa a tracció i una zona sotmesa a compressió. També presenta una zona longitudinal que no està sotmesa a cap tipus d’esforç, la línia neutra. A mesura que ens allunyem de la línia neutra va augmentant la intensitat dels esforços. Cal tenir present que, de vegades, segons la forma del material, un esforç de compressió pot produir un corbament en lloc d’un aixafament. Aquest fenomen rep el nom de vinclament i es dóna en materials esvelts (llarg en comparació amb la seva secció). ESFORÇ APLICAT FORMES MÉS ADEQUADES DE SOPORTAR-LO TRACCIÓ SECCIÓ ELEVADA COMPRESSIÓ SECCIÓ ELEVADA I POCA LONGITUD FELXIÓ SECCIÓ ELEVADA, CANTELL GRAN I POCA LONGITUD TORSIÓ SECCIÓ ELEVADA CISALLAMENT SECCIÓ ELEVADA Quan un material és deformat per l’aplicació d’un esforç, pot ser que la deformació sigui temporal o permanent: - Deformació elàstica: si el material recupera la forma original quan desapareix l’esforç que provoca la deformació. - Deformació plàstica: si el material queda deformat permanentment quan desapareix l’esforç que l’ha provocat. Hi ha materials que es trenquen sense experimentar, pràcticament, cap deformació prèvia: comportament fràgil (vidres, ceràmiques,...) D’altres materials, en canvi, es deformen molt abans de trencar-se: comportament dúctil (coure, alumini,...) ASSAIG DE TRACCIÓ Per tal que els valors obtinguts en aquests assaigs no depenguin de les dimensions de la peça que estem utilitzant, si no només del seu material, s’utilitzen els conceptes d’esforç unitari i d’allargament unitari. Esforç unitari, és la relació entre la força F aplicada a un material i la secció A sobre la qual s'aplica. L’allargament unitari (ε) és la relació entre l’allargament L d'una peça i la llargària inicial L que tenia abans d’aplicar l’esforç de tracció. ZONA ELÀSTICA Les deformacions produïdes desapareixen després d’aplicar l’esforç. Gràficament és una recta (existeix proporció fixa entre esforç aplicat i l’allargament produït). El valor constant de proporcionalitat s’anomena mòdul elàstic o mòdul de Young (E). ZONA PLÀSTICA Límit elàstic (σ) és l’esforç unitari màxim que pot suportar un material sense experimentar cap deformació permanent.Existeix un límit elàstic teòric i un límit elàstic mesurat. A la pràctica, al dissenyar un element d’una màquina es fa de tal manera que sempre treballi per sota del seu límit elàstic. Per calcular la tensió a la que haurà de treballar apliquem un coeficient de seguretat. Com més gran sigui aquest coeficient, més segura serà la peça. RESISTÈNCIA O CÀRREGA AL TRENCAMENT És el valor de l’esforç (R) a partir del qual començarà el trencament de la peça, tot i que disminuïm l’esforç. Com més dúctil sigui un material, més àmplia tindrà aquesta zona posterior a R. En aquesta zona l’esforç serà menor al valor d’R perquè la secció disminueix (estricció). ALLARGAMENT Un cop trencada la proveta, s’uneixen els dos trossos i es mesura la distància entre les marques de calibratge. L’allargament s’expressa en forma de percentatge: CARACTERÍSTIQUES MECÀNIQUES D’ALGUNS MATERIALS LA DURESA La duresa és la resistència o oposició que presenta un material a ser ratllat o penetrat per un altre material. És deguda a les forces de cohesió entre els àtoms del material (els materials més durs presenten enllaços iònics o covalents). És molt comú que els sòlids durs siguin alhora fràgils com el vidre. Per comparar i mesurar la duresa s’utilitzen diferents tipus d’assaigs. La major part d’aquests assaigs consisteixen en forçar la penetració d’un objecte de material molt dur (penetrador) sobre el material a assajar (mostra o proveta). Com més penetració s’aconsegueix, aplicant la mateixa força, més tou serà el material que s’està estudiant. Un dels mètodes més utilitats per mesurar la duresa dels metalls és l’assaig Brinell (regulat per la norma UNE-EN 6506-1). En tots els mètodes es col·loca un element molt dur anomenat penetrador sobre la superfície del material a assajar (proveta) i se li aplica una càrrega durant un temps determinat. En aquest tipus d’assajos està normalitzat: - La forma, les dimensions i el material del que està fet el penetrador. - El valor de la càrrega aplicada. - El temps d’aplicació de la càrrega. Depenent del mètode utilitzat, el valor de la duresa del material s’obté en funció de la superfície o de la fondària de la marca deixada pel penetrador. ASSAIG BRINELL Els assaigs de duresa es fan amb unes màquines especials anomenades duròmetres. Per acers i materials metàl·lics en general, s’utilitzen els valors següents: S’aplica una càrrega damunt l’esfera durant un temps. Després es retiren la càrrega i l’esfera i es mesura la superfície de la marca sobre la proveta (serà un casquet esfèric la superfície del qual la podem calcular a partir de la mesura dels diàmetres de la marca i l’esfera). RELACIÓ ENTRE LA DURESA I LA RESISTÈNCIA A LA TRACCIÓ En el fons els valors indiquen el grau d’oposició que presenta un material al ser deformat, ja sigui estirant-se, obrint un solc o un forat. En cada material existeix un valor que expressa la proporcionalitat entre aquest grau i les forces de cohesió ( en el cas dels acers es 3,45 ) TENACITAT La tenacitat és defineix com la capacitat de resistència al xoc. És la propietat contrària a la fragilitat. • Els materials tenaços són capaços d’absorbir molta energia cinètica en un xoc i transformar-la en deformació plàstica o elàstica, evitant així el trencament. Normalment, la fragilitat (o manca de tenacitat) va lligada a la duresa: els materials durs acostumen a ser fràgils. ASSAIG DE RESILIÈNCIA, es coneix amb el nom de resiliència l’energia necessària per trencar un material amb un sol cop. L’assaig de resiliència es denomina també assaig de resistència al xoc. El valor de la resiliència obtingut a l’assaig és una mesura indirecta de la tenacitat dels materials (juntament amb una bona resistència a la tracció i un elevat valor d’allargament). Hi ha 2 modalitats d’aquests tipus d’assaigs: el pèndol de Charpy i el d’Izod. Les 2 són molt similars i, per tant, només en descriurem una: ASSAIG CHARPY Es realitza en una màquina que incorpora un pèndol amb una massa de 22 kg situada a l’extrem. A la vertical del punt de gir del pèndol hi ha l’enclusa on es fixa la proveta. Les provetes porten mecanitzada una entalla, que té forma de “V”, que permet que el trencament es produeix en el punt desitjat. Les dimensions i la forma i de les provetes estan normalitzades. ASSAIG DE FATIGA Els esforços de fatiga són aquells que alternen el seu sentit d’aplicació (tracció-compressió, torsió, flexió) de manera repetitiva o cíclica en el temps. L’assaig de fatiga intenta reproduir les condicions de treball reals dels materials. Un dels més usuals consisteix en sotmetre la proveta a esforços de flexió rotativa (torsió + flexió) en un cicle que es va repetint en el temps. Podem definir dos valors importants: - La resistència a la fatiga: és el valor d’amplitud de l’esforç que provoca el trencament del material després d’un nombre determinat de cicles. - La vida a la fatiga: és el nombre de cicles de treball que pot suportar un material per a una determinada amplitud de l’esforç aplicat (N) ASSAIG NO DESTRUCTIUS I DE DEFECTES Les principals característiques d’aquest tipus d’assajos són: - Es realitzen sobre peces, objectes un cop ja hem finalitzat la seva fabricació. - Han de permetre utilitzar la peça després de realitzar l’assaig, sense deixar cap mena de marca. - S’apliquen per detectar la presència o absència de defectes interns no observables a primera vista (també s’anomenen assajos de defectes). Aquests defectes poden ser: fissures, esquerdes, porus, inclusions,... Els principals tipus són: - Magnètics: Consisteixen en l’aplicació d’un camp magnètic a la peça que volem assajar. Si la peça no té defectes, l’estructura interna serà homogènia i la permeabilitat magnètica serà constant en tota la seva extensió. Si la peça té defectes, l’estructura interna deixa de ser homogènia i es provoca una variació localitzada de la permeabilitat magnètica. - Amb radiacions (raigs X o raigs gamma): s’utilitzen quan el material que volem assajar no és ferromagnètic o quan el defecte està allunyat de la superfície. Aquests assajos consisteixen en fer que la radiació travessi la peça que es vol examinar i arribi a impressionar una placa fotogràfica situada al seu darrere. • Aquesta radiació va sent absorbida pel material, aquest fet ens servirà per detectar els defectes. Si no existeixen defectes la placa quedarà impressionada de forma uniforme, si existeixen defectes a la placa veurem zones impressionades amb més o menys intensitat (taques). - D’ultrasons: Consisteix en utilitzar ultrasons com es fa en les ecografies mèdiques o en els sonars dels vaixells. Les ones es reflecteixen, es refracten i es dispersen davant de canvis en el medi. Una de les modalitats consisteix a situar l’emissor i el receptor sobre la mateixa cara que s’assaja. L’emissor envía ultra sons en forma impulsos de curta durada. 3. PROPIETATS TÈRMIQUES Les propietats tèrmiques indiquen el comportament dels materials davant d’una de les formes que pot adoptar l’energia: la calor. CONDUCTIVITAT TÈRMICA La conductivitat tèrmica és la facilitat que ofereix un material per permetre el flux d’energia tèrmica a través seu. La conductivitat tèrmica és pròpia de cada material i depèn de la Tª inicial a la que aquest es troba. Les taules on s’indiquen les propietats dels materials solen prendre de referència els 0 o 20 ºC. El quocient Q/t s’anomena potència tèrmica (Pt). Així doncs, podem determinar la potència tèrmica transmesa com: DILATACIÓ TÈRMICA La dilatació tèrmica és el fenomen que provoca l’augment de les dimensions d’un material, especialment els metalls, quan augment la temperatura. La dilatació tèrmica depèn: - De Del material (cada material té un grau diferent de dilatació). - l’increment de la temperatura (com més gran sigui, major serà la dilatació). Segons siguin les dimensions de l’objecte sobre les quals es determina l’increment, es defineixen diferents tipus de dilatacions: - Dilatació lineal: quan es considera una sola dimensió (longitud) - Dilatació superficial: quan es considera dos dimensions (superfície) - Dilatació cúbica: quan es considera tres dimensions ( volum) La dilatació tèrmica es pot aprofitar per calcular la temperatura d’un cos a partir de saber el seu increment de llargària i el seu coeficient de dilatació. Alguns elements de control automàtic de T (termòstats, termòmetres bimetàl·lics,...) basen el seu funcionament en la dilatació tèrmica. També s’ha de tenir present a l’hora de realitzar construccions amb elements metàl·lics com ara ponts, vies de ferrocarril, edificis,... ja que els canvis de te'ls poden sotmetre a grans tensions i provocar una deformació perillosa o, fins i tot, el trencament de l’estructura.
