Embed Size (px)
DESCRIPTION
PROPIEDADES MECANICAS
Citation preview
PROPIEDADES
MECÁNICAS
(MECHANICAL
PROPERTIES)
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
COMPUTACIÓN APLICADA
- Gabriela Moya
- Lenin Silva
27 / Mayo / 2013 10° Semestre “A”
Describen la forma en que un material soporta fuerzas
aplicadas, incluyendo fuerzas de tensión, compresión, impacto,
cíclicas o de fatiga, o fuerzas a altas temperaturas.
La mecánica de materiales estudia
las deformaciones unitarias y
desplazamiento de estructuras y
sus componentes debido a las
cargas que actúan sobre ellas.
1) DEFINICIÓN (DEFINITION)
Las propiedades mecánicas de los materiales nos permiten
diferenciar un material de otro ya sea por su composición,
estructura o comportamiento ante algún efecto físico o
químico.
Esta es la razón por la que la mecánica de materiales es una disciplina
básica, en muchos campos de la ingeniería, pues entender
el comportamiento mecánico es esencial para el diseño seguro de todos
los tipos de estructuras.
Su objetivo es determinar la respuesta de una material ante
la aplicación de una fuerza.
𝛿 =𝑃
𝐴
Los elementos de una estructura deben de aguantar, además
de su propio peso, otras fuerzas y cargas exteriores que
actúan sobre ellos
Esfuerzos de Tensión: Cuando una barra es sometida a una
carga de estiramiento, esta tiende a tensionar el miembro.
Ejm. Los cables de un puente colgante
2) ANTECEDENTES SOBRE LOS ENSAYOS
MECÁNICOS DE LOS MATERIALES (BACKGROUND
ON MECHANICAL TESTING OF MATERIALS)
Esfuerzos de Compresión: cuando las cargas que soporta el
elemento tienden a aplastarlo.
Ejm. Las columnas
Esfuerzos de Cortantes: es el esfuerzo interno o resultante de
las tensiones paralelas a la sección transversal, cuando las
cargas que soporta la pieza tienden a cortarla.
Ejm. Los puntos de apoyo de las vigas
Esfuerzos Torsores: cuando las cargas que soporta el
elemento tienden a aplastarlo.
Ejm. Las columnas
Esfuerzos Flectores: Un elemento estará sometido a flexión
cuando actúen sobre el cargas que tiendan a doblarlo.
Ejm. las vigas de una estructura
Los miembros cargados tienden a cambiar su forma (sección
transversal o longitudinal).
Deformación = cambio en la longitud
Esfuerzo = deformación / longitud del miembro
Máquina semejante a una prensa con la que es posible someter
materiales a los tres principales ensayos: tracción, compresión
y corte para medir sus propiedades. La presión se logra
mediante placas o mandíbulas accionadas por tornillos o un
sistema hidráulico.
MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAYO
(UNIVERSAL TESTING MACHINE - UTM)
DIAGRAMA ESFUERZO – DEFORMACIÓN
(STRESS/STRAIN DIAGRAM)
Es la curva resultante graficada con los valores del esfuerzo y la
correspondiente deformación unitaria en el espécimen
calculado a partir de los datos de un ensayo de tensión o de
compresión.
Esfuerzo = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎
𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙 Deformación =
𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑂𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙
ELASTICIDAD (ELASTICITY)
Propiedad en virtud de la cual un cuerpo se deforma de manera
proporcional a la carga aplicada y recupera su forma original
una vez ha cesado la acción de la carga.
PLASTICIDAD (PLASTICITY)
Propiedad mecánica de un material de deformarse permanente
e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones
por encima de su rango elástico , sin llegar a la rotura.
PROPERTIES DERIVED FROM STRESS/STRAIN DAIG
Propiedades derivadas del diagrama
esfuerzo -deformación
• RESISTENCIA
• RIGIDEZ
• DUCTILIDAD
• MÓDULO DE RESILIENCIA
• MÓDULO DE TENACIDAD
3) TIPOS COMUNES DE PROPIEDADES
MECÁNICAS (COMMON TYPES OF MECHANICAL PROPERTIES)
Es la resistencia al esfuerzo máximo de un material y es igual a:
ULTIMATE STRENGTH.
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎
𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙
RESISTENCIA MÁXIMA
ASTM A722
Resistencia a la
tensión
(aleaciones
materiales,
materiales
compuestos)
• Resistencia a la compresión
• Resistencia a corte.
PUNTO DE LIMITE ELASTICO/LIMITE
ELASTICO.
Es el esfuerzo máximo
que un material puede
soportar sin sufrir
deformaciones
permanentes.
YIELD POINT STRESS /YIELD STRENGTH
ASTM C-469
MÉTODO PARALELO.
El esfuerzo que se
obtiene de la
intersección de la curva
esfuerzo-deformación
con una línea paralela a
la dispuesta en la zona
elástica a 0,2% es
denomina el limite
elástico.
STIFFNESS
Es la capacidad de
un elemento
estructural para
soportar esfuerzos sin
adquirir
grandes deformacione
s
RIGIDEZ.
RIGIDEZ= f(E)
RIGIDEZ AXIAL.
RIGIDEZ FLEXIONAL
RIGIDEZ FRENTE A CORTANTE
DUCTILIDAD
Se conoce como
ductilidad a la propiedad
de aquellos materiales
que, bajo la acción de
una fuerza pueden
deformarse sin llegar a
romperse.
DUCTILITY
ASTM A 242 ASTM A615/A615M
ASTM A706/A706M
%DUCTILIDAD: Deform. a la fractura x 100
• %Reducción de Area:
Area. Ensayo/Area. original
• %ELONGACION:
Long. Ensayo/Long. original
Formulas para el calculo de la ductilidad.
MÓDULO DE RESILIENCIA
El módulo de
resiliencia se define
como la energía
máxima que puede
ser absorbida por
unidad de volumen sin
producir una
deformación
permanente
MODULUS OF RESILIENCE
Puede ser calculado
como el área bajo la
curva de esfuerzo-
deformación desde el
origen hasta el límite
proporcional (elástico)
y se representa como el
área sombreada.
Ur=𝜎∗𝜀
2=
𝜎∗𝜎
𝐸
2
Ur=𝜎2
2𝐸
TOUGHNESS
El módulo de tenacidad
indica la cantidad de
energía necesaria, por
unidad de volumen, que se
necesita para que se
produzca la fractura en un
material determinado
TENACIDAD
T= R+AA+AB+AC+AD+AE+AF
Puede ser calculado
como el área bajo la
curva de esfuerzo-
deformación desde el
origen hasta la ruptura y
se representa como:
THE IMPACT TESTER.
El ensayo de impacto consiste
en dejar caer un pesado
péndulo, el cual a su paso
golpea una probeta ubicada en
la base de la maquina. La
probeta rompe de un solo golpe.
Charpy (ISO 179-1, ASTM D 6110)
Izod (ISO 180, ASTM D 256, ASTM D 4508)cantilever beam
impact (ASTM D 4812)
ENSAYO DE IMPACTO.
Viga horizontal Viga vertical en volado.
Charpy (ASTM D 6110) (ASTM D 4812)
RESISTENCIA AL IMPACTO (IMPACT RESISTANCES)
La resistencia al impacto describe la capacidad del material a absorber golpes y energía sin romperse. La tenacidad del material depende de la temperatura y la forma.
Prueba de impacto (The impact tester)
Es una prueba dinámica que permite predecir en cier ta forma el comportamiento dúcti l ó frági l de un material a una temperatura especifica.
El ensayo determina la energía absorbida por una probeta (ranurada) durante su fractura; esto se denomina, como tenacidad del material .
Se tienen dos tipos de ensayo de impacto referidos como Charpy e Izod. El ensayo de impacto Charpy emplea probetas con tres tipos de ranuras : en “ V ” , “ojo de cerradura” y en “U” ; mientras que el de tipo Izod sólo uti l iza la ranura en “ V ” .
La diferencia entre los dos radica en la forma como se
posiciona la muestra. La probeta que se utiliza para ambos
ensayos es una barra de sección transversal cuadrada dentro
de la cual se ha realizado una talla en forma de V.
Esta probeta se sostiene mediante mordazas paralelas que se
localizan de forma horizontal en el ensayo tipo Charpy y de
forma vertical en el ensayo tipo Izod. Se lanza un pesado
péndulo desde una altura h conocida, este péndulo golpea la
muestra al descender y la fractura. Si se conoce la masa del
péndulo y la diferencia entre la altura final e inicial, se puede
calcular la energía absorbida por la fractura.
La fractura de un material comienza en el lugar donde la
concentración de tensión es lo más grande posible, como lo
es la punta de una grieta.
TRANSITION TEMPERATURE OR NIL DUCTILIT Y TEMP.
Ensayo de impacto para
determinar la
temperatura de
transición a ductilidad
nula (NDT) en aceros
férricos La temperatura
NDT es la temperatura
a la que el modo de
fractura del acero pasa
de dúctil a quebradizo.
Temperatura de transición o temperatura de
ductilidad nula.
ASTM E208
A temperaturas por encima de la NDT cuando se realiza un ensayo de tracción, una pieza de acero se estira o se deforma de manera dúctil . A temperaturas por debajo del NDT esa misma pieza de acero se romperá de manera quebradiza cuando esté sometida a cargas superiores a su límite elástico.
ASTM E208
DUREZA (HARDNESS)
La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a al teraciones como la penetración, la abrasión, el rayado, la cor tadura, las deformaciones permanentes ; entre otras. También puede definirse como la cantidad de energía que absorbe un material ante un esfuerzo antes de romperse o deformarse.
Ejm. La madera puede rayarse con faci l idad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho más dif íci l de rayar.
Esta propiedad se especifica en los planos de ingeniería para fines de tratamiento del calor en la fabricación.
El ensayo de dureza es simple, de alto rendimiento ya que no destruye la muestra y par ticularmente úti l para evaluar propiedades de los diferentes componentes microestructurales del material .
Dureza Rockwell : Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella.
Rockwell superficial: Existe una variante del ensayo, para la caracterización de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas de materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento superficial .
El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la correlación
existente entre la dureza y la resistencia mecánica, siendo un método de ensayo
más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo que su uso está muy
extendido.
Dureza Brinell : Emplea como punta una bola de acero
templado o carburo de W. Para materiales duros, es poco
exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con chapas de
menos de 6mm de espesor. Estima resistencia a tracción.
Dureza Vickers: Emplea como penetrador un diamante con
forma de pirámide cuadrangular. Para materiales blandos, los
valores Vickers coinciden con los de la escala Brinell . Mejora
del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con
chapas de hasta 2mm de espesor.
Dureza Knoop: Mide la dureza en valores de escala absolutas,
y se valoran con la profundidad de señales grabadas sobre un
mineral mediante un utensilio con una punta de diamante al
que se le ejerce una fuerza estándar.
Dureza Shore: Emplea un escleroscopio. Se deja caer un
indentador en la superficie del material y se ve el rebote. Es
adimensional, pero consta de varias escalas. A mayor rebote -
> mayor dureza. Aplicable para control de calidad superficial .
Es un método elástico, no de penetración como los otros.
FATIGA (FATIGUE)
Se refiere un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo
cargas dinámicas cícl icas se produce ante cargas inferiores a las
cargas estáticas que producirían la rotura.
Un ejemplo de ello se tiene en un alambre: flexionándolo
repetidamente se rompe con facil idad, pero la fuerza que hay que
hacer para romperlo en una sola flexión es muy grande.
La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes (puentes, automóviles, aviones, etc.) .
Su principal pel igro es que puede ocurr ir a una tensión menor que la resistencia a tracción o el límite elástico para una carga estát ica, y aparecer sin previo aviso, causando roturas catastróficas. Es un fenómeno muy importante, ya que es la primera causa de rotura de los materiales metál icos (aproximadamente el90%), aunque también está presente en polímeros, y en cerámicas.
La rotura por fatiga tiene aspecto frágil aún en metales dúct iles, puesto que no hay apenas deformación plástica asociada a la rotura . El proceso consiste en un inicio y posterior propagación de fisuras, que crecen desde un tamaño inicial microscópico hasta un tamaño macroscópico capaz de comprometer la integridad estructural del material.
CREEPn
En muchas aplicaciones los componentes se ven obligados a soportar cargas constantes durante lapsos prolongados, como por ejemplo cables de acero. En tales circunstancias el material puede continuar deformándose hasta que su utilidad se ve seriamente perjudicada.
Tales tipos de deformaciones dependientes del tiempo pueden ser casi imperceptibles, pero crecen durante toda la vida útil de la pieza y llevan a la rotura, aún sin que la carga haya aumentado.
Con cargas aplicadas por corto tiempo, como en un ensayo de tracción estático, hay una deformación inicial que aumenta simultáneamente con la carga. Si, bajo cualquier circunstancia, la deformación continúa mientras la carga se mantiene constante, a esta deformación adicional se la conoce como CREEP.
El fenómeno conocido como "creep", se define como: "la parte dependiente del tiempo de las deformaciones provenientes de tensiones".
Etapas del Creep:
La primera parte es la deformación elástica y ocurre casi
instantáneamente, bajo la acción de la tensión aplicada: es la
deformación ordinaria dada por el diagrama de tensión-
deformación.
La segunda es la componente transitoria cuya característica
principal es que tiene tasa (“velocidad”) decreciente. La
deformación es rápida al comienzo pero gradualmente se
hace más lenta a medida que se aproxima a un valor fijo
determinado.
La tercera es la componente permanente que aumenta
continuamente, a tasa constante bajo tensión constante. Por
tratarse de un movimiento similar al flujo viscoso, se lo
conoce a veces como creep viscoso.
ROTURA DE TENSIÓN (STRESS RUPTURE)
Se denomina tensión de rotura, a la máxima tensión que un material
puede soportar al ser traccionado antes de que se produzca necking,
que es cuando la sección transversal del espécimen se comienza a
contraer de manera significativa.
La tensión de rotura se obtiene por lo general realizando un
ensayo de tracción y registrando la tensión en función de la
deformación (o alargamiento); el punto más elevado de la
curva tensión-deformación es la tensión de rotura. Es una
propiedad intensiva; por lo tanto su valor no depende del
tamaño del espécimen de ensayo. Sin embargo, depende de
otros factores, tales como la preparación del espécimen, la
presencia o no de defectos superficiales, y la temperatura del
medioambiente y del material.
4) ANALISIS DE FALLA
Concentración de esfuerzos
(stress concentration).
Si un miembro esta cargado y
tiene alguna ranura, orificio o
irregularidad en su geometría,
se produce un esfuerzo
magnificado en el área de la
irregularidad debido a un factor
de concentración de esfuerzos
FAILURE ANALYSIS
Smax: Kf * S
Donde:
Kf= factor de concentración de esfuerzos.
S= es el esfuerzo del miembro considerando que no existe irregularidad.
Smax= es el esfuerzo local en la región de la concentración de esfuerzos.
