REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA, CIENCIAS Y TECNOLOGÍA INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA DEL OESTE “MARISCAL SUCRE” PNF: INGENIERÍA ELÉCTRICA SECCIÓN: 5021 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES DOCENTE: FREDDY GARCÍA Caracas, Julio de 2021 ALUMNO: VELÁSQUEZ ANTHONY CI: 24.884.802 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES Muchos materiales cuando prestan servicio, se someten a diferentes fuerzas o cargas que pueden modificar las propiedades del material en cuestión. Es necesario conocer las características de los materiales cuando prestan servicio para que a la hora del diseño esta no se deforme o se produzca la rotura. El comportamiento mecánico y sus propiedades de un material refleja la relación entre la fuerza aplicada y la respuesta del material (deformación) PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES Las propiedades mecánicas de los materiales se determinan realizando ensayos cuidadosos que emulan las condiciones en las que la pieza será utilizada, sin llegar al punto de rotura. Los factores que se deben considerar al realizar ensayos son la naturaleza de la carga aplicada, la duración de la misma y las condiciones del medio. La carga puede ser fuerza de tracción, compresión o cizalladura y su magnitud puede ser constante en el tiempo o variar. Se expondrá el comportamiento de las cargas bajo las cargas con relación esfuerzo-deformación, además de sus propiedades asociadas ESFUERZO Y DEFORMACIÓN El esfuerzo es una fuerza que actua sobre el área unitaria en la que se aplica, existen esfuerzos de tensión, flexión, compresión y cortantes. El esfuerzo suele se suele expresar en pascales (pa) o en psi (libras por pulgadas cuadradas, por sus siglas en ingles) La deformación unitaria se define como el cambio de dimensión por unidad de longitud. La deformación unitaria no tiene dimensiones y con frecuencia se expresa en pulg/pulg o en cm/cm. En síntesis, el esfuerzo es la causa y la deformación es el efecto ESFUERZO Y DEFORMACIÓN Ilustración esquemática de como una carga produce un alargamiento y deformación positivos en un material Las líneas discontinuas representan la forma antes de la deformación, las líneas solidas la forma después de la deformación. Existen tres maneras de aplicar una carga a una probeta de ensayo: tracción, compresión y cizalladura. TRACCION, COMPRESION Y CIZALLADURA Fuerza de Tracción: Es el esfuerzo al que será sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto y tienden a estirar el material. En síntesis la tracción produce un alargamiento sobre el eje X y disminución sobre el eje YyZ Fuerza de Compresión: Esfuerzo al que esta sometido un cuerpo por la aplicación de fuerzas que actúan en el mismo sentido y tienden a acortar al material o comprimirlo. Fuerza de Cizalladura: Es el esfuerzo al que se somete una pieza cuando en ella actúan fuerzas perpendiculares en la superficie del material, haciendo que las partículas del material se desplacen en diferentes direcciones. PROBETA Una probeta es el elemento que será sometido a un ensayo para conocer las propiedades mecánicas de los materiales en prueba (con dimensiones normalizadas) . Existen diferentes probetas para cada uno de los ensayos de esfuerzo-deformación existentes. La probeta puede ser una pieza, un modelo a escala de una pieza o un trozo del material mecanizado, la cual se caracteriza con las siguientes medidas: •Lo = Longitud inicial •So = Sección inicial •Do = Diámetro inicial ENSAYO DE TRACCIÓN Es el ensayo esfuerzo-deformación mas comúnmente realizado. Es usado para determinar varias propiedades de los materiales útiles para el diseño. El ensayo consiste en alargar la probeta mediante una carga de tracción a velocidad constante para medir la carga instantánea aplicada (en la celda de carga) y el alargamiento resultante (utilizando el extensómetro). El ensayo dura varios minutos y es destructivo, deformando la probeta completamente El resultado del ensayo se registra en una banda de papel, normalizando la carga del alargamiento para poder obtener de esta forma la tensión nominal y deformación nominal ENSAYO DE TRACCION. TENSION Y DEFORMACION NOMINAL La tensión nominal se define a través de la ecuación: Donde: F= Carga instantánea aplicada a probeta (Newton) Ao= Área sección original antes de aplicar la carga ( m2) Las unidades de tensión nominal (también denominada tensión) son libras fuerza por pulgada cuadrada o psi (Sistema U.S) o Megapascales, Mpa (SI). La deformación nominal se define como: Donde: Lo= Longitud original antes de aplicar la carga(Newton) Li= Longitud instantánea ( m2) Ambas se pueden indicar ya que son equivalentes a: AI= Alargamiento producido por deformación No tiene unidades establecidas, aunque se usa normalmente pulgada por pulgada ENSAYO DE COMPRESIÓN Se realiza únicamente cuando existe una carga de aplicación de compresión-deformación. Se realiza de similar forma que un ensayo de tracción, excepto que la fuerza es compresiva y la probeta se contrae a lo largo de la dirección de la fuerza. Posee las mismas unidades que el ensayo de tracción ( tensión= Megapascales, Deformacion = pulgada * pulgada) Es un ensayo poco realizado ya que aporta poca información adicional al compararse con el ensayo de tracción. Se utilizan cuando se desea conocer el comportamiento del material bajo deformaciones permanentes grandes (plásticas). ENSAYO DE CIZALLADURA Y TORSIÓN Es un ensayo que se utiliza solo cuando existe una fuerza de cizalladura aplicada al material. La tensión de cizalladura t se calcula de acuerdo con Donde F= fuerza impuesta paralelamente a las caras superior e inferior Ao= Área inicial antes de aplicar la fuerza Las unidades de tensión y deformación por cizalladura son las mismas que corresponden a los ensayos de tracción y compresión DEFORMACIÓN ELÁSTICA Se puede definir como el grado en que un material se deforma a causa de la magnitud de la tensión impuesta. Para muchos metales sometidos a esfuerzos de tracción pequeños, la tensión y deformación son proporcionales. Es decir, a mayor fuerza, mayor deformación no permanente o desplazamiento, siendo esto equivalente a la Ley de Hooke: Donde: E=modulo de elasticidad (4,5x10 N/m2) Cuando la tensión y la deformación son proporcionales, se denomina deformación elástica. Esta no es permanente en el material, lo que significa que regresa a su forma original cuando la tensión es retirada del material evaluado. DEFORMACIÓN ELÁSTICA Al representar la tensión en el eje de abscisas y la deformación en el eje de ordenadas, se obtiene una relación lineal conocida como el modulo de elasticidad o rigidez del material. La aplicación de la carga corresponde al recorrido de la línea, cuando esta deja de aplicarse, la línea es recorrida en dirección opuesta. El modulo de elasticidad es un parámetro importante para realizar cálculos de deformaciones en los materiales. DEFORMACIÓN ELÁSTICA Sin embargo, existen materiales donde la relación esfuerzo deformación no son lineales, en estos casos se utilizan los módulos tangente y secante Modulo Tangente: Se toma como la pendiente de la curva tensión- deformación a algún determinado nivel de tensión indicado en el eje de abscisas. Modulo Secante: Representa a la pendiente de una secante trazada desde el origen hasta algún punto determinado de la curva tensión- deformación. Cabe destacar que la imposición de esfuerzos por compresión, cizalladura o torsión también pueden producir deformación elástica. ANELASTICIDAD En muchos materiales, existe una componente de la deformación elástica que depende del tiempo de aplicación llamada Anelasticidad, lo que quiere decir que la deformación elástica continua aumentando en el tiempo después de aplicar la carga, y al retirarla, se requiere que transcurra un tiempo adicional para que el material se recupere totalmente. Es causada por los mecanismos microscópicos que tienen lugar cuando el material se deforma y que dependen del tiempo de aplicación en el para su acción. En los metales, la componente anelastica es pequeña, salvo en algunos materiales polímeros. DEFORMACIÓN PLÁSTICA La deformación plástica ocurre cuando la deformación trasciende el punto máximo de deformación elástica tolerable por el material, en el cual la tensión deja de ser proporcional a la deformación (denominado limite proporcional “P”), haciéndola permanente. Cuando la deformación elástica trasciende el punto tolerable por el material también es conocido como fluencia. La transición elastoplastica (deformación elástica a plástica) es gradual en la mayoría de los metales, pudiéndose observar el cambio físico a simple vista. Desde el punto de vista atómico, la deformación plástica corresponde a la rotura de los enlaces entre los átomos mas próximos entre si y a la reformación de estos con nuevos átomos vecinos. FLUENCIA Y LIMITE ELASTICO La mayoría de las estructuras se diseñan para que solo ocurra deformación elástica cuando sean sometidas a tensiones. Por esa razón, es necesario conocer el nivel de tensiones que genera la deformación plástica, es decir, cuando ocurre el fenómeno de fluencia El punto de fluencia puede determinarse como la desviación inicial de la linealidad de la curva tensión-deformación; denominado limite proporcional e identificado con P La tensión correspondiente a la intersección de esta línea con el diagrama tensión-deformación cuando este se curva se denomina limite elástico oy. La magnitud del limite elástico de un metal es una medida de su resistencia a la deformación plástica, comprendidos desde 35 Mpa 1400 MPa RESISTENCIA A LA TRACCION Después de iniciarse la deformación plástica, la tensión necesaria para continuar la deformación en los metales aumenta hasta un máximo punto M y luego disminuye hasta producirse la fractura en punto F. La resistencia a la tracción es la tensión máxima que puede ser soportada por un material al tipo de carga de tracción hasta que se produzca la rotura. La deformación será elástica e uniforme en la región estrecha de la probeta, hasta que se empiece a formar una disminución de la sección en la misma (estricción) La fractura o rotura del material ocurrirá en la estricción. La resistencia a la tracción puede variar desde 50 MPa (aluminio) hasta 3000 Mpa (aceros de alta resistencia) DUCTILIDAD Es una medida del grado de deformación plástica que cuantifica cuanto puede soportar el material hasta llegar al punto de fractura. Si un material es dúctil se considera resistente. Por el contrario, si un material experimenta poca o ninguna deformación plástica se denomina frágil. La ductilidad puede expresarse como alargamiento relativo porcentual (%EL), el cual es el porcentaje de deformación plástica o rotura, lo que quiere decir que: Donde: lf= longitud de fractura lo= longitud original Diagrama de tracción de materiales frágiles y dúctiles ensayados hasta fractura RESILIENCIA La resiliencia es la capacidad de un material de absorber energía elástica cuando es deformado y ceder esta energía cuando se deja de aplicar fuerza a el Los materiales resilientes son aquellos que tienen un limite elástico muy alto y un modulo de elasticidad muy bajo El área bajo la curva del diagrama representa la absorción de energía que se requiere para deformar el material hasta el limite elástico Se mide mediante el modulo de resiliencia Ur: Diagrama de curva tensión- deformación TENACIDAD Es un termino mecánico que se utiliza para exponer la medida de la capacidad de un material de absorber energía antes de la fractura. La geometría de la probeta y la forma en que se aplica la carga son importantes para determinar la tenacidad Su unidad es energía por unidad del volumen del material. Se mide según las condiciones de carga; Si posee carga dinámica (alta velocidad de deformación) y esta presente una entalla (concentrador de tensiones), la tenacidad es evaluada a través de ensayos de impacto. Si posee una carga estática (baja velocidad de deformación), la tenacidad puede ser evaluada a través de ensayos de tracción Las unidades de tenacidad es la energía por unidad de volumen del material en evaluación Para que un material sea tenaz, debe poseer alta resistencia y ductilidad. TENSION Y DEFORMACION REALES La tensión real debe ser identificada, ya que por lo general, ocurren discrepancias al momento de comparar la tensión luego de que ocurra la estricción (causando deformación y disminución del área de la sección del material) con la tensión nominal. La tensión real se define como la caga dividida por el área de la sección instantánea Ai, sobre la cual ocurre una deformación. También es conveniente representar la deformación nominal como: Si no ocurre un cambio en el volumen durante la deformación, la tensión y deformación real se asemejaran a la tensión y deformación nominal. DEFORMACION PLASTICA POR COMPRESION, CIZALLADURA Y TORSIONAL Los metales también pueden experimentar deformación plástica bajo la influencia de una carga de compresión, cizalladura o torsión. El comportamiento tensión - deformación resultante en la región plástica será similar a los resultantes por ensayo de tracción. En el caso de deformación por compresión, no existirá un punto máximo ya que no se produce la estricción. DUREZA Es una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica localizada (por ejemplo, una abolladura o ralladura) Se mide a través de ensayos que cuantifican la aplicación de la fuerza en un material en condiciones controladas de carga, midiendo la profundidad y tamaño de la huella resultante. Cuanto mas blando es el material, mayor es la huella en el. Estas mediciones son relativas y no absolutas, no son comparables los resultados entre si. Los ensayos de dureza se realizan con mucha mas frecuencia, ya que son sencillos y baratos, el ensayo no es destructivo y otras propiedades mecánicas adicionales pueden ser evaluadas en los resultados obtenidos. Ensayo de dureza sobre pieza metálica FACTORES DE SEGURIDAD Existen incertidumbres en cuanto a la magnitud de la fuerza aplicada en servicio. Esto quiere decir que durante el diseño, se debe tener en cuenta dicha magnitud para que no ocurra la rotura. Esto se logra al establecer en el material utilizado una tensión de seguridad. Matemáticamente representada como: Lo que equivale a la resistencia a la fluencia dividida por el factor de seguridad N Se debe elegir un valor correcto para N, de otra forma la tensión puede quedar sobrediseñada, realizando una resistencia superior a la necesaria. Se debe tomar en cuenta la tensión de seguridad a la hora de la rotura del material, ya que y las consecuencias pueden ser tan altas como el coste de vidas humanas GRACIAS POR SU ATENCIÓN