propiedades mecanicas de los materiales

propiedades mecanicas de los materialesUNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

INTRODUCCION

Las propiedades mecnicas de los materiales nos permiten diferenciar un material de otro ya sea por su composicin, estructura o comportamiento ante algn efecto fsico o qumico, estas propiedades son usadas en dichos materiales de acuerdo a algunas necesidades creadas a medida que ha pasado la historia, dependiendo de los gustos y propiamente de aquella necesidad en donde se enfoca en el material para que este solucione acabalidadla exigencia creada.Lamecnicade materiales estudia lasdeformacionesunitarias y desplazamiento de estructuras y sus componentes debido a las cargas que actan sobre ellas,as entonces nosbasaremos en dicha materia para saber deque se trata cada uno de estosefectosfsicos, aplicados endiferentes estructuras, formas y materiales. Esta es laraznpor la que la mecnica de materiales es una disciplina bsica, en muchos campos de la ingeniera, entender elcomportamientomecnico esesencialpara el diseo seguro de todos los tipos de estructuras. El desarrollo histrico de dicho tema, ha sido la mezcla de teora y experimento, de personajesimportantescomoLeonardodaVinci(1452-1519), GalileoGalilei (1564-1642) yLeonardEuler(1707-1783), llevaron a cabo experimentos para determinar laresistenciade alambres, barras y vigas, desarrollaron la teora matemtica de las columnas y clculode lacarga critica en una columna, actualmente son la base del diseo y anlisisde la mayora de las columnas.

PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES

En ingeniera, las propiedades mecnicas de los materiales son las caractersticas inherentes, que permiten diferenciar un material de otro. Tambin hay que tener en cuenta el comportamiento que puede tener un material en los diferentes procesos de mecanizacin que pueda tener.

ElasticidadEl trmino elasticidad designa la propiedad mecnica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentran sujetos a la accin de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan.

PlasticidadLa plasticidad es la propiedad mecnica que tiene un material para deformarse permanentemente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su limite elstico.

Resistencia a la fluenciaEs la fuerza que se le aplica a un material para deformarlo sin que recupere su antigua forma al parar de ejercerla.

resistencia a la traccin o resistencia ltimaIndica la fuerza de mxima que se le puede aplicar a un material antes de que se rompa.

Resistencia a la torsinFuerza torsora mxima que soporta un material antes de romperse.

Resistencia a la fatigaDeformacin de un material que puede llegar a la ruptura al aplicarle una determinada fuerza repetidas veces.

DurezaLa dureza es la propiedad que tienen los materiales de resistir el rayado y el corte de su superficie. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa, que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio cuando lo rayas no queda marca, por lo tanto tiene gran dureza.

FragilidadLa fragilidad intuitivamente se relaciona con la cualidad de los objetos y materiales de romperse con facilidad. Aunque tcnicamente la fragilidad se define ms propiamente como la capacidad de un material de fracturarse con escasa deformacin, a diferencia de los materiales dctiles que se rompen tras sufrir acusadas deformaciones plsticas.

TenacidadLa tenacidad es una medida de la cantidad de energa que un material puede absorber antes de fracturarse. Evala la habilidad de un material de soportar un impacto sin fracturarse.

Resiliencia o resistencia al choqueEs la energa que absorbe un cuerpo antes de fracturarse.

DuctilidadLa ductilidad es una propiedad que presentan algunos materiales, como las aleaciones metlicas o materiales asflticos, los cuales bajo la accin de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse, permitiendo obtener alambres o hilos de dicho material. A los materiales que presentan esta propiedad se les denomina dctiles. Los materiales no dctiles se clasifican de frgiles. Aunque los materiales dctiles tambin pueden llegar a romperse bajo el esfuerzo adecuado, esta rotura slo se produce tras producirse grandes deformaciones.

MaleabilidadLa maleabilidad es la propiedad de la materia, que junto a la ductilidad presentan los cuerpos al ser elaborados por deformacin. Se diferencia de aquella en que mientras la ductilidad se refiere a la obtencin de hilos, la maleabilidad permite la obtencin de delgadas lminas de material sin que ste se rompa. Es una cualidad que se encuentra opuesta a la ductilidad puesto que en la mayora de los casos no se encuentran ambas cualidades en un mismo material.

MaquinabilidadLa maquinabilidad es una propiedad de los materiales que permite comparar la facilidad con que pueden ser mecanizados por arranque de virutas.

ColabilidadEs la capacidad de un metal fundido para producir piezas fundidas completas a partir de un molde.

1. PROPIEDADES MECANICAS DEL ALUMINIOResistencia mecnicaLas caractersticas mecnicas del aluminio varan considerablemente dependiendo del tipo de aleacin que se est considerando.En la siguiente tabla se muestran los valores de la carga de rotura (N/mm2), el lmite elstico (N/mm2), el alargamiento en la rotura (en %) y la dureza Brinell para las aleaciones de aluminio ms comunes:

Tabla 2. Carga de rotura, lmite elstico, alargamiento y dureza de las aleaciones de aluminioEn la siguiente figura ilustrativa se muestra cmo vara el lmite elstico, que es la tensin para la cual se alcanza una deformacin del 0,2% en la pieza ensayada segn el ensayo de traccin. Los resultados se muestran para las diferentes aleaciones de aluminio:

Figura 2. Lmite elstico (N/mm2) de las aleaciones de aluminioEn esta otra figura se muestra la variacin de la carga de rotura en el ensayo de traccin para cada tipo de aleacin:

Figura 3. Carga de rotura (N/mm2) de las aleaciones de aluminioPor otro lado, la resistencia a cizallamiento es un valor importante a tener en cuenta para calcular la fuerza necesaria para el corte, as como para determinadas construcciones. No existen valores normalizados a este respecto, pero generalmente es un valor que est entre el 55 y 80 % de la resistencia a la traccin.Por ltimo, en la siguiente tabla se muestran los valores del alargamiento de la pieza que se alcanza en el ensayo de traccin, justo antes de producirse la rotura de la pieza:

Figura 4. Alargamiento en el ensayo de traccin para las aleaciones de aluminio4.2- Mdulo de elasticidad longitudinal o Mdulo de YoungEl mdulo de elasticidad longitudinal o mdulo de Young (E) relaciona la tensin aplicada a una pieza segn una direccin con la deformacin originada en esa misma direccin, y siempre considerando un comportamiento elstico en la pieza.Para las aleaciones de aluminio, el mdulo de elasticidad longitudinal,E, tiene el siguiente valor:E= 70.000MPa (70.000N/mm2)4.3- Mdulo de elasticidad transversalEl mdulo de elasticidad transversal, mdulo de cortante o tambin llamado mdulo de cizalla,G, para la mayora de los materiales, y en concreto para los materiales istropos, guarda una relacin fija con el mdulo de elasticidad longitudinal (E) y el coeficiente de Poisson (), segn la siguiente expresin:G = E

2x( 1 + )

En la siguiente tabla se indica los valores para el Mdulo de elasticidad transversal,G, para distintos materiales, adems de para el aluminio:MaterialG(MPa)

Acero81.000

Aluminio26.300

Bronce41.000

Cobre42.500

Fundicin Gris (4.5 %C)41.000

Hierro Colado< 65.000

Hierro Forjado73.000

Latn39.200

Tabla 3. Mdulo de elasticidad transversal,G4.4- Coeficiente de PoissonEl coeficiente de Poisson () corresponde a la razn entre la elongacin longitudinal y la deformacin transversal en el ensayo de traccin. Alternativamente el coeficiente de Poisson puede calcularse a partir de los mdulos de elasticidad longitudinal y transversal, segn la expresin siguiente:= E-

1

2xG

Para el aluminio aleado, toma el siguiente valor:= 0,33Como en el caso anterior, las expresiones arriba indicadas del coeficiente de Poisson, n, son valores constantes siempre dentro del rango de comportamiento elstico del aluminio.Dureza BrinellLa dureza es una propiedad que mide la capacidad de resistencia que ofrecen los materiales a procesos de abrasin, desgaste, penetracin o de rallado. Para medir la dureza de un material se emplea un tipo de ensayo consistente en calibrar la resistencia de un material a la penetracin de un punzn o una cuchilla que se usa como indentador. Este indentador usualmente consta en su extremo, o bien de una esfera, o bien de una pieza en forma de pirmide, o en forma de cono y que est compuesto de un material mucho ms duro que el material que se est midiendo. La profundidad de la entalla que se produce en el material al ser rallado por este penetrador nos dar una medida de su dureza.Existen varios mtodos para calibrar la dureza de un material, siendo el mtodo Brinell y el mtodo Rockwell los ms comunes.El mtodo Brinell (ASTM E10) es un tipo de ensayo utilizado para calcular la dureza de los materiales. Consiste en una esfera de 10 mm de dimetro, usualmente de un acero endurecido, que se presiona contra la superficie del material objeto de estudio bajo una carga esttica de 3.000 kg. El tamao de la huella nos proporcionar una medida de la dureza, denominada dureza Brinell, bajo estas condiciones del ensayo.En la siguiente tabla se muestran los valores de dureza Brinell que alcanzan las distintas aleaciones de aluminio, junto con los datos de la carga de rotura (N/mm2), el lmite elstico (N/mm2) y el alargamiento en la rotura (en %):

Tabla 2. Carga de rotura, lmite elstico, alargamiento y dureza de las aleaciones de aluminioEn la siguiente figura se muestra cmo vara la dureza Brinell para las distintas aleaciones de aluminio:

Figura 5. Dureza Brinell (HB) para las aleaciones de aluminio

2. PROPIEDADES MECANICAS DEL ACERO

Diagrama Tensin-Deformacin

El diagrama tensin-deformacin resulta de la representacin grfica del ensayo de traccin, normalizado en UNE-EN 10002-1, y que consiste en someter a una probeta de acero normalizada a un esfuerzo creciente de traccin segn su eje hasta la rotura de la misma. El ensayo de traccin permite el clculo de diversas propiedades mecnicas del acero.La probeta de acero empleada en el ensayo consiste en una pieza cilndrica cuyas dimensiones guardan la siguiente relacin de proporcionalidad:L0= 5.65xS0

Donde L0es la longitud inicial, S0es la seccin inicial y D0es el dimetro inicial de la probeta. Para llevar a cabo el ensayo de traccin, las anteriores variables pueden tomar los siguientes valores:D0= 20 mm, L0= 100 mm, o bien,D0= 10 mm, L0= 50 mm.

El ensayo comienza aplicando gradualmente la fuerza de traccin a la probeta, lo cual provoca que el recorrido inicial en la grfica discurra por la lnea recta que une el origen de coordenadas con el punto A.Hasta llegar al punto A se conserva una proporcionalidad entre la tensin alcanzada y el alargamiento unitario producido en la pieza. Es lo que se conoce como Ley de Hooke, que relaciona linealmente tensiones con las deformaciones a travs del modulo de elasticidad E, constante para cada material que en el caso de los aceros y fundiciones vale aproximadamente 2.100.000 Kg/cm2.Otra particularidad de este tramo es que al cesar la solicitacin sobre la pieza, sta recupera su longitud inicial. Es decir, se comporta de manera elstica, y el punto A se denomina Lmite de Proporcionalidad.Pasado el punto A y hasta llegar al punto B, los alargamiento producidos incluso crecen de manera ms rpida con la tensin, y se cumple que al cesar la carga, la pieza recupera de nuevo su geometra inicial, es decir, se sigue comportando elsticamente. El punto B marca el lmite a este comportamiento, y por ello al punto B se le denomina Lmite Elstico.Traspasado el punto B el material pasa a comportarse de manera plstica, es decir, que no recupera su longitud inicial, quedando una deformacin remanente al cesar la carga. De esta manera, el proceso de descarga se realiza siguiendo la trayectoria segn la lnea punteada mostrada del diagrama tensin-deformacin, que como se ve, corta al eje de deformaciones, L/L0, a una cierta distancia del origen, que se corresponde con la deformacin remanente que queda. Concretamente, el punto B o Lmite Elstico es aquel que le corresponde una deformacin remanente del 0.2%.Si se sigue aplicando carga se llega al punto identificado en la grfica como C, donde a partir de aqu y hasta el punto D, las deformaciones crecen de manera rpida mientras que la carga flucta entre dos valores, llamados lmites de fluencia, superior e inferior. Este nuevo estadio, denominado de fluencia, es caracterstico exclusivamente de los aceros dctiles, no apareciendo en los aceros endurecidos.Ms all del punto de fluencia D es necesario seguir aplicando un aumento de la carga para conseguir un pronunciado aumento del alargamiento. Entramos ya en la zona de las grandes deformaciones plsticas hasta alcanzar el punto F, donde la carga alcanza su valor mximo, lo que dividida por el rea inicial de la probeta proporciona la tensin mxima de rotura o resistencia a la traccin.A partir del punto E tiene lugar el fenmeno de estriccin de la probeta, consistente en una reduccin de la seccin en la zona de la rotura, y el responsable del periodo de bajada del diagrama, dado que al reducirse el valor de la seccin real, el valor de la carga aplicado a partir del punto E tambin se va reduciendo hasta alcanzar el punto F de rotura.LMITE ELSTICO Y RESISTENCIA A LA TRACCINLa determinacin de las propiedades mecnicas en el acero, como el lmite elstico (fy), la resistencia a traccin (fu), as como de otras caractersticas mecnicas del acero como el Mdulo de Elasticidad (E), o el alargamiento mximo que se produce en la rotura, se efectuar mediante el anteriormente definido ensayo de traccin normalizado en la UNE-EN 10002-1.El valor de la tensin ltima o resistencia a la traccin se calcula a partir de este ensayo, y se define como el cociente entre la carga mxima que ha provocado el fallo a rotura del material por traccin y la superficie de la seccin transversal inicial de la probeta, mientras que el lmite elstico marca el umbral que, una vez se ha superado, el material trabaja bajo un comportamiento plstico y deformaciones remanente.En la seccin ANEXOS de este tutorial se pueden consultar los valores del lmite elstico y la resistencia a traccin para las distintas calidades de aceros segn las normativas europea y americana.Se adjunta tabla con los valores de la resistencia a la traccin, as como del lmite elstico y dureza, segn la norma americana AISI:

A continuacin, en estas otras tablas se recogen tambin las especificaciones correspondientes al lmite elstico (fy) y resistencia a traccin (fu) para los distintos tipos de acero segn se indican en la Instruccin de Acero Estructural (EAE) espaola. Aceros no aleados laminados en caliente:Lmite elstico mnimo y Resistencia a traccin (N/mm2)

TipoEspesor nominal de la pieza, t (mm)

t 4040 < t 80

Lmite elstico,fyResistencia a traccin,fuLmite elstico,fyResistencia a traccin,fu

S 235235360