Propiedades Mecánicas.

Integrantes:Luis Gerardo Gutiérrez.Edgar Uriel Trejo.María Guadalupe Montoya.Andrea Guadalupe López.María Eugenia MoralesDavid Alberto Sánchez.

INSTITUTOTENCNOLÓGICO

DE SALTILLO.

El comportamiento mecánico de los materiales, es decir, el comportamiento a distintas condiciones de carga, se describe a través de sus propiedades mecánicas, que son el resultado de ensayos simples e idealizados. Las propiedades de un material que aparecen reportadas en diversos manuales, son los resultados de estas pruebas.

Ensayo esfuerzo-deformación. Ensayo de flexión Ensayo de dureza Ensayo de impacto Tenacidad a la fractura Ensayo de fatiga Ensayo de termofluencia

Propiedades mecánicas

El ensayo de tensión mide la resistencia de un material a una fuerza estática o gradualmente aplicada. La probeta se coloca en la máquina de pruebas y se le aplica una fuerza F, que se conoce como carga. Para medir el alargamiento del material causado por la aplicación de fuerza en la longitud calibrada se utiliza un extensómetro.

ENSAYO DE TENSIÓN

Para un material dado, los resultados de un solo ensayo son aplicables a todo tamaño y formas de muestras, si se convierte la fuerza en esfuerzo y la distancia entre marcas calibradas en deformación.

Donde: es el área original de la sección transversal de la probeta. Es la distancia original entre marcas calibradas es la distancia entre las mismas después de haberse aplicado la fuerza.

La curva esfuerzo-deformación se utiliza para registrar los resultados de la prueba de tensión.

A partir de un ensayo de tensión se puede obtener información de las propiedades mecánicas del material. Dentro de estas propiedades se encuentran:

Módulo de elasticidad:

Determina la rigidez de un material, la cual se define como la capacidad de resistencia a la deformación. Un material rígido, con un alto módulo de elasticidad, conserva su tamaño y su forma incluso al ser sometido a una carga en la región elástica. Una pendiente muy acentuada indica que se requieren de grandes fuerzas para separar los átomos y hacer que el material se deforme elásticamente.

o módulo de Young, es la pendiente de la curva esfuerzo-deformación en su región elástica. Esta relación es la Ley de Hooke:

𝐸=𝜎𝜀

Módulo de elasticidad para los distintos materiales.

Se define como el punto en el cual, el material empieza a deformarse permanentemente (plásticamente). En los metales, es por lo general el esfuerzo requerido para que las dislocaciones se deslicen.

El esfuerzo de cedencia se obtiene al trazar una línea paralela a la zona elástica en la curva esfuerzo-deformación, pero con un desplazamiento del 2% sobre el eje X, el punto en el que esta línea se intersecta con la curva, es el valor del esfuerzo de cedencia.

Esfuerzo de cedencia:

Esfuerzo de cedencia de los distintos tipos de materiales.

Resistencia a la tensión:

Es el esfuerzo máximo sobre la curva esfuerzo-deformación. En muchos materiales dúctiles la deformación no se mantiene uniforme. En cierto momento, una región se deforma más que otras y ocurre una reducción en la sección recta. Esta región deformada se conoce como zona de estricción (o cuello de botella), el esfuerzo que la probeta resiste empieza a disminuir hasta llegar a la ruptura.

Ductilidad:

Donde es la distancia entre las marcas calibradas después de la ruptura del material.

Un segundo método para medir la ductilidad es calcular el cambio porcentual en el área de la sección transversal en el punto de fractura antes y después del ensayo. El % de reducción en área expresa el adelgazamiento sufrido por el material durante la prueba:

Mide el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Se puede medir la distancia entre las marcas calibradas en una probeta antes y después del ensayo. El % de elongación representa la distancia que la probeta se alarga plásticamente antes de la fractura:

% 𝑑𝑒𝑒𝑙𝑜𝑛𝑔𝑎𝑐𝑖 ó𝑛=𝑙 𝑓 −𝑙0𝑙0

×100

% 𝑑𝑒𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖 ó𝑛𝑒𝑛á𝑟𝑒𝑎=𝐴0− 𝐴𝑓𝐴0

×100

Donde es el área de la sección transversal en la superficie de la fractura.

Comportamiento de los distintos materiales.

Tipos de fractura.

La fractura dúctil se suele producir en forma transgranular (a través de los granos) en los metales con buena ductilidad y tenacidad. Con frecuencia, se observa una deformación apreciable, incluyendo la deformación de un cuello en el componente que fallo.Las fracturas dúctiles suelen ser causadas por sobrecargas simples o al aplicar un esfuerzo demasiado grande al material

Los micro huecos se forman cuando un gran esfuerzo causa la separación de los limites de grano del metal.

Cuando se somete a tensión un material dúctil en un ensayo, comienza a formarse un cuello y huecos, iniciando cerca del centro de la barra.

Fractura dúctil.

Ensayo de compresión.

Se realiza de forma similar al ensayo de tensión, pero la fuerza es compresiva. Se utilizan las mismas ecuaciones.

*Una fuerza de compresión se considera negativa.

Se utiliza cuando se desea conocer el comportamiento del material bajo deformaciones permanentes grandes (plásticas), como los procesos de conformación, para materiales expuestos cargas de compresión como concretos, o bien, en materiales frágiles a la tensión.

En este ensayo simplemente se aplica una fuerza de cizalladura.

T= tensión de cizalladura.= Deformación de cizalladura.G= Módulo de cizalladura.

Ensayo de cizalladura.

Es una variación de la cizalladura pura. La probeta es deformada de la forma que se muestra en la imagen; las fuerzas de torsión producen un movimiento rotacional alrededor del eje longitudinal de un extremo del miembro al otro extremo. Podemos encontrar ejemplos de torsión en ejes de máquinas y en brocas, por ejemplo.El ensayo de torsión es relativamente complejo en donde se relaciona a los momentos de fuerza T con la tensión de cizalladura y al ángulo de giro Φ con la deformación de cizalladura. La norma ASTM 143 brinda los lineamientos para la realización de este ensayo.

Ensayo de torsión.

ENSAYO DE FLEXIÓN

El ensayo de flexión se utiliza para determinar las propiedades a tensión de materiales frágiles pues no se puede efectuar el ensayo de tensión debido a la presencia de defectos en la superficie. De ahí se puede obtener el módulo de elasticidad en flexión y la resistencia a la flexión (similar a la resistencia a la tensión).

Al aplicar la carga en tres puntos causando flexión, actúa una fuerza que provoca tensión sobre la superficie, opuesta al punto medio de la probeta. La fractura iniciara en este sitio. Los resultados del aprueba de flexión son similares a las curvas esfuerzo-deformación.

𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑎𝑙𝑎 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛=3𝐹𝐿2𝑤h2

𝑀 ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑒𝑛 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛= 𝐿3𝐹4𝑤h3𝛿

Donde F es la carga a la fractura, L la distancia entre los dos puntos de apoyo, w es el ancho de la probeta y h es su altura.

El modulo de elasticidad a la flexión se calcula:

Donde es la deflexión de la viga al aplicársele una fuerza F.

ENSAYO DE DUREZA

El ensayo de dureza mide la resistencia de un material a la penetración y da una medida de su resistencia al desgaste y a la abrasión. Se aplica un penetrador (de bola, cono o diamante) sobre la superficie del material, con una presión y un tiempo determinado, a fin de dejar una huella que depende de la dureza del material, los métodos más utilizados son los de Brinell y Rockwell.

El ensayo de dureza Rockwell utiliza una pequeña bola de acero para materiales blandos y un cono de diamante para materiales más duros. La profundidad de la penetración es medida automáticamente por el instrumento y se convierte a índice de dureza Rockwell (HR). La escala Rockwell C (HCR) se utiliza para aceros duros, en tanto que para medir la dureza del aluminio se selecciona la escala Rockwell F (HRF).

Ensayo de dureza Rockwell

La dureza es la propiedad que expresa el grado de deformación permanente que sufre un metal bajo la acción directa de una carga determinada. Es decir, la resistencia que opone un cuerpo ha ser rayado o penetrado por un cuerpo más duro.

En el ensayo de dureza Brinell, una esfera de acero duro se oprime sobre la superficie del material. Se mide el diámetro de la impresión generada, y se calcula el número de dureza índice de dureza Brinell (HB o BHN) a partir de la ecuación siguiente:

𝐻𝐵=𝐹

( 𝜋2 )𝐷 (√𝐷2−𝐷𝑖2 )

Donde F es la carga aplicada en kilogramos, D es el diámetro del penetrador en mm y , es el diámetro de la impresión en mm.

Ensayo de dureza Brinell

La dureza Brinell está relacionada estrechamente con la resistencia a la tensión del acero mediante la relación siguiente: Resistencia a la tensión (psi) = 500HBSe puede obtener un índice de dureza Brinell en unos cuantos minutos sin preparar ni destruir el componente, y obteniendo una buena aproximación de su resistencia a la tensión.

Los ensayos Vickers (HV) y Knoop (HK) son pruebas de microdureza; producen penetraciones tan pequeñas que se requiere de un microscopio para obtener su medición.

ENSAYO DE IMPACTO

El ensayo de impacto se utiliza para evaluar la fragilidad de un material, su objetivo es observar el comportamiento de un material a una carga aplicada rápidamente.

Se define como tenacidad a la cantidad de energía que puede absorber un material antes de fracturarse.

El ensayo Charpy se expresa en J o en lb-pie y los resultados del ensayo Izod se expresan en J/m o en lb-pie/pulgada.

Durante el ensayo un péndulo pesado, que inicia su movimiento desde una altura, golpea y rompe la probeta; llega a una altura final menor. Si se conocen las alturas inicial y final del péndulo, se puede calcular la diferencia en su energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto.

.

Las probetas que se utilizan para realizar esta prueba, tienen como característica principal una muesca en la parte posterior de donde se genera el impacto, el propósito de esto es que se genere una concentración de esfuerzos y la energía no se distribuya a lo largo de la probeta, de lo contrario la energía podría producir que la probeta se doblara y no se rompiera. Además, se puede determinar una temperatura de transición por encima de la cual un material fallará de manera dúctil, en vez de fallar de manera frágil. La temperatura de transición es la temperatura a la cual un material cambia de un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil.

TENACIDAD A LA FRACTURA

La tenacidad a la fractura describe la facilidad con la cual se propaga una grieta o defecto en un material. La tenacidad a la fractura medida en condiciones de deformación plana K es un resultado común de estas pruebas.

Se realiza aplicando un esfuerzo a la tensión a una probeta preparada con un defecto de tamaño y geometría conocidos. El esfuerzo aplicado a un material se e intensifica por el defecto, el cual actúa como concentrador de esfuerzos.

Para un ensayo simple el factor de intensidad de esfuerzo K es

Donde es un factor geométrico relacionado a la probeta y al defecto, es el esfuerzo aplicado, y es el tamaño del defecto. Se usa cuando la fractura o defecto es superficial y cuando la imperfección es interna.

ENSAYO DE FATIGA

Cuando un material está sometido a la aplicación de esfuerzo cíclico, este puede fallar después de numerosas aplicaciones de dicho esfuerzo. Este tipo de falla se conoce como fatiga. El ensayo de fatiga permite comprender el comportamiento de un material cuando se le aplica un esfuerzo cíclico.

Un método común para medir la resistencia a la fatiga de un material es el ensayo de la viga en voladizo rotatoria. Uno de los extremos de la probeta cilíndrica maquinada se sujeta al eje de un motor. En el extremo opuesto se suspende un peso. Después de un número suficiente de ciclos la probeta puede fallar. Los resultados se presentan graficando el esfuerzo en función del número de ciclos.

Fatiga: es la disminución de la resistencia de un material debido a esfuerzos repetitivos, que pueden ser mayores o menores que la resistencia de cedencia. Es un fenómeno común en materiales que están sujetos a cargas dinámicas y que están sujetos en forma constante a cargas repetitivas en forma de tensión, compresión, flexión, vibración, dilatación, etc.

Los materiales cerámicos no suelen tener en cuenta la fatiga, porque estos materiales fallan normalmente debido a su baja tenacidad a la fractura

Las fallas por fatiga suelen presentarse en tres etapas

Después de una cantidad suficiente de ciclos en el ensayo de fatiga, el espécimen puede fallar. En general, se ensaya una serie de especímenes con distintos esfuerzos aplicados. Los resultados se representan en forma de curva S-N, que tambien se llama curva de Wohler, en donde se grafica el esfuerzo (S) en función de la cantidad de ciclos (N) a la falla.

ENSAYO DE TERMOFLUENCIA

El ensayo de termofluencia proporciona información sobre la capacidad de un material para soportar cargas a altas temperaturas. La deformación plástica a alta temperatura se conoce como termofluencia.

En el ensayo se aplica un esfuerzo constante a una probeta calentada a alta temperatura, en cuanto se aplica el esfuerzo, la probeta se deforma elásticamente una pequeña cantidad que depende del esfuerzo aplicado y del módulo de elasticidad del material a esa temperatura.

En la primera etapa de la termofluencia de los metales, muchas dislocaciones ascienden venciendo obstáculos, se deslizan y contribuyen a la deformación. Finalmente, la rapidez a la cual las dislocaciones esquivan obstáculos es igual a la velocidad a la cual las dislocaciones son bloqueadas por otras imperfecciones. Esto lleva a una segunda etapa en estado estable. Finalmente durante la tercera etapa empieza el encuellamiento, el esfuerzo se incrementa y la muestra se deforma a una rapidez acelerada hasta que ocurre la falla. El tiempo que se requiere para que esto ocurra es el tiempo de ruptura.

La pendiente de la porción estable de la curva de termofluencia es la rapidez de la termofluencia:

  𝑅𝑎𝑝𝑖𝑑𝑒𝑧 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑜𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎=∆𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖 ó𝑛∆ 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜

Termofluencia: si se aplica esfuerzo a un material a alta temperatura, ese material se estirara y acabara por fallar, aun cuando el esfuerzo aplicado sea menor que la resistencia de cedencia a esa temperatura. Una deformación permanente que depende del tiempo, bajo una carga o un esfuerzo constante y a altas temperaturas, se llama termofluencia o simplemente fluencia. En la termofluencia el material comienza a fluir con lentitud La deformación a la cual sea sometido el material dependerá de la temperatura y el esfuerzo aplicado, así como también de su modulo de elasticidad