Propiedades mecánicas de los metales

Fundición de cobre

Proceso de obtención de cobre

Obtención de lingotes de acero

Lingote de aluminio

Los productos fabricados mediante el trabajo del metal en caliente o en frío a partir de lingotes se denominan productos aleados de forja.

El metal fundido puede ser introducido en un molde con la forma del producto final. Éstos se denominan productos de fundición y las aleaciones usadas, aleaciones para fundición.

Laminación en frío de chapas metálicas: luego del proceso anterior, se puede incluir una cierta laminación en frío, aplicando un tratamiento térmico denominado recocido, para reblandecer el metal y eliminar las tensiones producidas

Tensión y deformación en metales

Cuando se somete una pieza de metal a una fuerza de tracción se produce la deformación del mismo.

Si el metal recupera sus dimensiones cuando se elimina la fuerza, se dice que ha sufrido una deformación elástica.

No puede soportarse mucha deformación elástica porque los átomos se desplazan de sus posiciones originales, pero sin alcanzar posiciones nuevas

Cuando el metal se deforma tanto que no puede recuperar totalmente sus dimensiones originales, se considera que ha sufrido una deformación plástica, en la cual los átomos se desplazan continuamente

La propiedad de algunos metales de ser extensamente deformados sin llegar a la fractura es una de las más útiles en la fabricación de objetos.

Por ejemplo, la gran deformación plástica a que puede ser sometido el acero de paragolpes, capós y puertas de automóvil sin llegar a la fractura

Tensión y Deformación convencional

Consideremos una barra cilíndrica de longitud l0 y área de la sección transversal A0 sujeta a la acción de una fuerza axial F.

La tensión sobre la barra es, por definición, igual a la fuerza media de tracción F dividida por el área de la sección transversal, o sea

= F/A0 las unidades son [N]/[m2]= Pa (pascal)

Cuando una fuerza de tracción se aplica sobre una barra, se produce un alargamiento de la misma en la dirección de la fuerza.

Dicho desplazamiento recibe el nombre de deformación.

Se define como la relación entre el cambio en la longitud de la muestra y su longitud original.

= (l- l0 )/ l0 = l/l0

Se suele usarlo en forma de porcentaje de deformación o porcentaje de alargamiento multiplicándolo por el 100%

Problemas

1) Una barra de aluminio de 0,5 pulgadas de diámetro está sometida a una fuerza de 2500 lb. Calcule la tensión que actúa en la barra en pascales

2) Una probeta de aluminio comercialmente puro de 0,5 pulgadas de ancho, 0,04 pulgadas de espesor y 8 pulgadas de longitud con dos marcas de ensayo realizadas en el centro de la probeta, y separadas entre sí 2 pulgadas, es deformada hasta que las marcas quedan separadas 2,65 pulgadas. Calcule la deformación y el porcentaje de alargamiento

El ensayo de tracción y el diagrama

tensión-deformación

En el ensayo de tracción, una muestra de metal se estira a velocidad constante hasta la fractura, que se produce en un tiempo relativamente corto.

1) Módulo de elasticidad: en la primera parte del ensayo, si la fuerza sobre la probeta desaparece, la misma vuelve a su longitud inicial. la tensión y deformación siguen una relación lineal que viene determinada por la Ley de Hooke

E = / , donde E = módulo de elasticidad de Young

Está relacionado con la fuerza del enlace entre los átomos del metal o aleación.

Material Módulo de Young (GN/m2)

Níquel 205

Acero 200

Hierro forjado 190

Cobre 110

Hierro fundido 100

Bronce 90

Oro 81

Aluminio 70

Hormigón 23

Hueso 16

2) Límite elástico: es el nivel de tensión al que un metal o aleación muestra una deformación plástica significativa.

Es arbitrario y normalmente se determina cuando se produce una deformación del 0,2%

3) Resistencia a la tracción: es la máxima tensión que se alcanza en la curva tensión-deformación. Si el material tiene porosidad o inclusiones, estos defectos pueden producir un descenso de la resistencia máxima respecto al valor normal.

4) Porcentaje de alargamiento: este valor proporciona un valor de la ductilidad del metal.

Tiene importancia no sólo como medida de la ductilidad, sino también como índice de la calidad del metal. Si existe porosidad o inclusiones, o deterioro debido a sobrecalentamiento, el porcentaje decrecerá por debajo del valor normal.

5) Porcentaje de estricción: también puede expresar la ductilidad, así como un índice de su calidad.

Dureza y ensayo de dureza

La dureza es una medida de la resistencia de un metal a la deformación permanente (plástica).

Se mide forzando la indentación de un penetrador en la superficie del metal.

Éste adopta diversas formas, y está fabricado con un material mucho más duro que el material a ensayar (acero templado, carburo de tungsteno o diamante)

Es mucho más simple que un ensayo de tracción, no es destructivo; por lo que se utiliza en control de callidad.

Deformación plástica de cristales metálicos por el mecanismo de deslizamiento

Si el deslizamiento de un conjunto de átomos sobre otro conjunto de átomos se realizara en forma simultánea, la resistencia de los cristales a la rotura debería ser de entre 1.000 a 10.000 veces mayor que la resistencia observada.

Para que se produzca la deformación , es necesaria una alta densidad de imperfecciones cristalinas, conocidas como dislocaciones .

Las dislocaciones se forman durante el enfriamiento del metal.

Fractura de los metales

Uno de los aspectos a tener en cuenta en la selección de materiales es la posibilidad de que el componente falle durante su funcionamiento habitual.

La falla es la incapacidad del material de 1) realizar la función prevista, 2) cumplir los criterios de desempeño o 3) tener un desempeño seguro y confiable incluso después de deteriorarse

La fractura es la separación de un sólido en dos o más piezas. Se distingues dos tipos:

La fractura dúctil tiene lugar después de una deformación plástica intensa

Son menos frecuentes que las frágiles, su principal causa es el exceso de carga

La fractura frágil se produce en forma rápida, con una propagación veloz de la fisura

Las fracturas frágiles ocurren normalmente por la existencia de defectos en el metal

Tenacidad y prueba de impacto

La tenacidad es una medidad de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturarse.

Uno de los métodos más simples para medirla es la prueba de impacto.