Bat1 tema6 propietats

2n Batxillerat

INS Frederic Mompou

Curs 2012-2013

PROPIETATS I ASSAIGS DE MATERIALS

Els materials i els processos industrials

• L’energia i els materials són els dos elements imprescindibles per tot procés industrial.

• En tot procés tecnològic, una de les primeres coses que s’han de fer és un projecte. S’ha de tenir uns criteris de selecció del material. Aquests criteris són els següents:

• Propietats del material. • Qualitats estètiques, que serien el color, la textura, la forma, etc. • Procés de fabricació a seguir i maquinària adequada. • Cost. • Disponibilitat, la vida prevista al mercat. • Impacte ambiental, de l’extracció i transformació de les matèries primeres.

Mirar si la seva extracció de les matèries primeres són agressives al medi ambient.

Propietats mecàniques • Tractarem materials que es troben en estat sòlid a

temperatura ambient

• Les propietats mecàniques descriuen el comportament dels materials davant l’aplicació de forces externes.

• Cada material té un comportament diferent i particular quan li són aplicades forces externes. Per tant, hem de conèixer les propietats mecàniques dels materials per tal de poder triar el més adequat a cada aplicació.

• Per conèixer i mesurar les seves propietats mecàniques, els materials se sotmeten a unes proves de laboratori anomenades assaigs.

Propietats mecàniques: resistència mecànica i assaig de tracció

• Les deformacions dels cossos, i per tant dels elements estructurals, poden ser molt diverses.

• En general una deformació és una modificació de la forma i això representa una modificació de l'estructura molecular dels materials o elements constructius.

• Per tal de poder estudiar una mica en profunditat aquestes deformacions introduirem el concepte d'esforç

• Definirem com a esforç aquell tipus d'acció (conjunt de forces i moments aplicats en un cos) que provoca un determinat tipus de deformació.


• La resistència mecànica és la capacitat de suportar esforços sense deformar-se o trencar-se.

• Segons la manera d’aplicar-los sobre el material es distingeixen diferents tipus d’esforços:

• De tracció: quan intenten estirar

• De compressió: quan intenten aixafar

• De flexió: quan intenten doblegar

• De torsió: quan intenten retorçar

• De cisalla: quan intenten tallar


• De tracció: quan intenten estirar

• De compressió: quan intenten aixafar

• De flexió: quan intenten doblegar

• De torsió: quan intenten retorçar

• De cisalla: quan intenten tallar

Tipus d’esforços:

Els esforços de flexió es poden considerar, en general,

com la combinació d’una tracció i d’una compressió.

La intensitat

d’aquests esforços

no és homogènia:

augmenta a les

zones més

allunyades, i

disminueix a les

més properes.

De vegades, segons la forma del

material, un esforç de compressió

pot produir un corbament en lloc

d’un aixafament. Aquest fenomen

rep el nom de vinclament, i es

dóna en materials esvelts (molt

llargs en comparació amb la seva

secció transversal)

Tot i que las dues bigues

tenen la mateixa secció, la

biga superior suporta millor

els esforços de flexió

perquè té un cantell més

llarg.

Esforç

aplicat

Formes més adequades

de suportar-lo

Tracció Secció elevada

Compressió Secció elevada i poca

longitud

Flexió Secció elevada, cantell

gran, poca longitud

Torsió Secció elevada

Cisallament Secció elevada

Propietats mecàniques:models de deformació i comportament mecànic

• Quan un material és deformat per l’aplicació d’un esforç, pot ser que la deformació sigui temporal o permanent.

• Si és temporal → el material torna a la seva forma inicial un cop retirat l’esforç → deformació elàstica

• Si és permanent → el material manté certa deformació malgrat haver retirat l’esforç → deformació plàstica

Comportament elàstic: Comportament plàstic:

http://floresyjardin.es/plastico-sintetico-para-asientos-de-diseno/plastico-amarillo-siesta/

Propietats mecàniques: models de deformació i comportament mecànic

• Hi ha materials que es trenquen sense experimentar, pràcticament cap deformació prèvia → comportament fràgil

• En canvi, hi ha materials que es deformen ostensiblement abans de trencar-se → comportament dúctil

Propietats mecàniques: assaig de tracció. Esforç i allargament unitari

• L’assaig de tracció és una de les proves de laboratori més utilitzades i que més informació proporciona sobre les propietats mecàniques dels materials.

• Per tal que els valors obtinguts no depenguin de les dimensions de la peça que estem utilitzant, sinó només del seu material, s’utilitzen els conceptes d’esforç unitari i allargament unitari.

Propietats mecàniques: assaig de tracció. Esforç i allargament unitari

Màquina per a l’assaig de tracció

Dibuix acotat d’una proveta

Propietats mecàniques: assaig de tracció

Màquina per a l’assaig de tracció

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fa/Maquina_de_ensayo_de_tensi%C3%B3n.JPG

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c5/Durante_el_ensayo.JPG

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/46/Ruptura.JPG

Propietats mecàniques: assaig de tracció. Esforç unitari

)(/ 2 MPammNA

F

L’esforç unitari (σ) o simplement esforç, és la relació entre la

força F aplicada a un material i la secció A sobre la qual

s’aplica.

També es coneix per tensió –o tensió normal-.

F = Força aplicada en N.

A = Secció inicial del material en mm2.

Propietats mecàniques: assaig de tracció. Allargament unitari

Quan s’aplica un esforç de tracció prou intens a un material, aquest s’allarga i

incrementa la seva longitud.

L’allargament depèn de la

llargària inicial de la peça.

Tot i aplicar la mateixa

força, tenir la mateixa

secció i ser del mateix

material, el valor de

l’allargament és diferent en

cada cas.

En canvi, el valor de

l’allargament unitari és el

mateix en tots els casos.

Propietats mecàniques: assaig de tracció. Allargament unitari

)(0

unitatssenseL

L

100·(%)0L

L

L’allargament unitari e és la relació entre l’allargament

ΔL produït en el material i la llargària inicial L0 que tenia

abans d’aplicar-ne l’esforç de tracció.

L’allargament unitari es pot expressar també en %:

Propietats mecàniques: diagrama de tracció

El diagrama de tracció s’utilitza molt per determinar les característiques

mecàniques dels materials → es realitza a partir dels assaigs de tracció.

En aquests assaigs es fan servir provetes normalitzades i es sotmeten a

esforços de tracció fins a trencar-les.

El diagrama de tracció presenta els esforços unitaris a l’eix d’ordenades i

els allargaments unitaris a l’eix de les abscisses.




pE

Hi ha zones i punts importants d’aquest diagrama que cal destacar:

Zona elàstica (O-A)

En aquesta zona les deformacions produïdes són de tipus elàstic.

S’anomena també zona proporcional, ja que hi ha proporcionalitat entre

els esforços i les deformacions.

Es caracteritza perquè és una línia recta (OA) i en l’extrem superior (el

punt A) se situa el límit de proporcionalitat,σp .

En aquesta zona es compleix la llei de Hooke, i el pendent de la recta

correspon al mòdul elàstic o mòdul de Young, E, del material:

E = Mòdul elàstic o mòdul de Young en MPa.

σp = Esforç unitari en N/mm2 (MPa).

ε = Allargament unitari.


Zona elàstica (O-A)

pE

pendent de la recta

Propietats mecàniques: diagrama de tracció Zona plàstica (A-E)

Límit elàstic (A-B)

A partir del punt A comencen les deformacions permanents.

Al punt B se situa el límit elàstic, σe → esforç unitari màxim que pot

suportar un material sense experimentar cap deformació permanent.

A la pràctica aquest

valor és molt difícil

d’obtenir i s’admet

com a vàlid el valor

de l’esforç que

produeix una

deformació

permanent del 0,2%

de la llargària

calibrada.


n

et

Els elements de màquines i estructures es dissenyen amb unes

dimensions que els permetin treballar per sota del seu límit elàstic,

per tal d’evitar deformacions perilloses.

L’esforç unitari màxim que s’utilitza en el disseny d’una peça es

coneix com la tensió màxima de treball.

Aquesta tensió es calcula dividint el límit elàstic per un valor

anomenat coeficient de seguretat, n:

σe = límit elàstic del material

σt = tensió màxima de treball

n = coeficient de seguretat, normalment

entre 1,2 i 4


http://erenovable.com/wp-content/uploads/bahrainwtcconstruction.jpg


En el tram que va des del límit elàstic, punt B, i fins el punt C, es produeix el

que s’anomena fluència → el material s’allarga sense gairebé incrementar

l’esforç (es diu que flueix). En alguns materials, com l’acer, aquest tram és

gairebé pla.

En el tram entre els

punts C i D,

l’enduriment del

material, provocat per

la deformació, fa que

calgui augmentar

l’esforç o tensió per

continuar deformant

el material


En aquests trams, les deformacions sempre són permanents i com més dúctil

sigui un material, més àmplia serà aquesta zona.

En canvi, els materials fràgils pràcticament no presenten zona plàstica, i

passen directament de la zona elàstica al trencament.


Quan s’arriba al punt D comença el trencament de la proveta, tot i que es

disminueix l’esforç aplicat → esforç de trencament (σt): esforç màxim que

pot suportar un material abans de trencar-se

Les deformacions

en aquest tram es

caracteritzen per

la disminució de

la secció →

estricció


A mesura que s’aprima la proveta, l’esforç necessari per trencar-la disminueix i

la corba decreix, fins que en el punt E, la proveta queda dividida en dos

trossos.


100·(%)0L

L

Hi ha un valor important de l’allargament i és el que experimenta just en el

moment de trencar-se.

Un cop trencada la proveta, s’uneixen els dos trossos i es mesura la distància

entre les marques de calibratge.

El percentatge de l’allargament és un valor que s’utilitza

per mesurar la ductilitat dels metalls.

Propietats mecàniques: característiques mecàniques dels materials

• Els valors del mòdul elàstic E → indiquen la rigidesa

• Els valors del límit elàstic σe → l’elasticitat

• L’esforç de trencament σt → la resistència mecànica

• El valor de l’allargament ε → la plasticitat del material

Propietats mecàniques: la duresa

• La duresa és la resistència o oposició que presenta un material a ser ratllat o penetrat per un altre material.

• La duresa és deguda a la força de cohesió existents entre els àtoms del material.

http://www.diprotex.com/ES/popmetal.shtml


• Per comparar i mesurar la duresa s’utilitzen diferents tipus d’assaigs.

• La majoria d’aquests assaigs consisteixen a forçar la penetració d’un objecte de material molt dur (el penetrador) sobre el material a assajar (la mostra o la proveta).

• Com més penetració s’aconsegueixi, aplicant la mateixa força, més tou serà el material que s’està analitzant.

• Un dels mètodes més utilitzats per mesurar la duresa dels metalls és l’assaig Brinell, que està regulat per la norma UNE-EN ISO 6506-1


Assaigs de duresa

Penetració

Brinell

Rockwell

Vickers

Dinàmics

Shore

IRC

Ratllat

Mohs

Willborn

Propietats mecàniques: la duresa A l’assaig de duresa de Brinell els penetradors tenen forma esfèrica. Si

apliquem una força F sobre el penetrador, aquest deixarà una marca circular

de diàmetre d sobre la superfície del material. La duresa Brinell (HB) es

determina amb la següent expressió:

HB = 1,102 F / A, F força aplicada, A superfície de la marca deixada

)22

(

2102.0

dDDD

FHB

on D és el diàmetre de l’esfera penetradora.

En aquesta expressió,

F va en N,

D i d en mm.

S’ha de deixar actuar la força durant un

temps entre 10 i 15 s.


Aparell per mesurar

el diámetre de la

marca deixada

Amb aquest mètode tenim:

Limitacions en el gruix

Limitacions en la mida

Limitacions en la duresa: fins 600HB

La duresa s’indica:

XX HB (D,C,T)

XX Duresa Brinell, D diàmetre bola (mm); C=0,102·F; T Temps (s)


El valor de F no és arbitrari, sinó que s’ha d’ajustar segons un coeficient

de pressió (CP) propi de cada tipus de material (segons la seva duresa):

102.0

2DCP

F

El coeficient de pressió CP ve especificat a la taula següent:

Propietats mecàniques: la duresa. Mètodes d’assaig


Propietats mecàniques: la tenacitat

• Al parlar de resistència hem parlat d’esforç, i s’entén un esforç com una força que s’aplica de forma progressiva. Quan una força s’aplica instantàniament no parlem d’esforç, si no de xoc.

• La tenacitat és la resistència al xoc.

• La tenacitat és contrària a la fragilitat, és a dir, un material fràgil es trenca quan és sotmès a un xoc, i un material tenaç no es trenca. Els materials tenaços són capaços d’absorbir molta energia cinètica en un xoc i transformar-la en deformació –plàstica o elàstica- evitant-ne el trencament.

Propietats mecàniques: la tenacitat. Assaigs de resiliència

• La resiliència és l’energia necessària per trencar un material amb un sol cop.

• L’assaig de resiliència es denomina també assaig de resistència al xoc.


• La resiliència és una mesura indirecta de la tenacitat.

• ↑ resiliència → ↑ tenaç

• Però la resiliència sola no és suficient per valorar la tenacitat

• Hi ha dues modalitats per assajar la resiliència: el pèndol de Charpy i el d’Izod


• L’assaig Charpy es realitza amb una màquina que incorpora un pèndol amb una massa de 22 Kg situada al seu extrem.

• A la vertical del punt de gir del pèndol hi ha l’enclusa on es fixa la proveta. En el moment de realitzar l’assaig, es deixa caure el pèndol des de la posició inicial a una alçaria fixa h.

• Un cop impactada la proveta, aquesta es trenca i el pèndol continua el seu recorregut.

• L’alçaria final h´ assolida pel pèndol a la posició final serà inferior a la inicial a causa de l’energia consumida en el trencament de la proveta.

• La diferencia d’alçàries ( h-h’ ) es directament proporcional a la resiliència.



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e1/Charpy_couteau.JPG


Les provetes porten mecanitzada una entalla, que te forma

de “V”, que permet que el trencament es produeixi en el punt

desitjat.

La forma i les dimensions de les provetes estan

normalitzades.

Els valors de resiliència es donen en funció de la secció del

material en el punt de trencament.


A

EK c

El valor de la resiliència d'un material s'obté amb la següent

expressió:

K = Valor de la resiliència del material en J/mm2

Ec = Energia cinètica consumida en el trencament de la proveta en J

A = Secció de trencament de la proveta en mm2.

Recordem:

Ec = ΔEp = mgh - mgh’ = mg·(h-h’)

Propietats mecàniques: assaig de fatiga

• Mitjançant l’assaig de tracció i de duresa es pot observar el comportament dels materials quan són sotmesos a esforços constants, estàtics.

• A l’assaig de resiliència, en canvi, el material es sotmet a un esforç instantani i dinàmic.

• Els materials, a les seves aplicacions reals, estan sotmesos a esforços estàtics i dinàmics combinats.

• Una peça es pot trencar amb un esforç inferior al seu límit elàstic però que ha estat aplicat repetidament i de manera fluctuant o alternativa.


• Els esforços que alternen el seu sentit d’aplicació (tracció-compressió, torsió, flexió) de manera repetitiva o cíclica en el temps, s’anomenen esforços de fatiga.

• L’assaig de fatiga intenta reproduir les condicions de treball reals dels materials.

• Un dels més usuals consisteix a sotmetre la proveta a esforços de flexió rotativa (combinació de flexió i torsió) seguint un cicle que es va repetint en el temps.




Diagrama de Wöhler o corba S-N

Resistència a la fatiga: és el valor de

l’amplitud de l’esforç que provoca el

trencament del material després d’un

nombre determinat de cicles

Vida a la fatiga: és el nombre de cicles

de treball que pot suportar un material

per a una determinada amplitud de

l’esforç aplicat

Propietats mecàniques: assaigs no destructius o de defectes

• A vegades cal fer assaigs sobre peces ja fabricades, per fer un control de qualitat o per analitzar les causes dels seu trencament.

• Els assajos no destructius (també anomenats de defectes) són aquells assajos que no deixen marques sobre els materials assetjats i s’apliquen sobre peces elaborades per determinar la presència (o absència) de defectes interns no observables a primera vista –fissures, esquerdes, porus, inclusions...)

• Aquests assajos permeten analitzar les propietats de peces acabades

sense fer-les malbé. • Els assajos no destructius mes importants són dos:

Els assajos magnètics Els assajos per raigs X i raigs Gamma Els assajos per ultrasons

Assaigs no destructius o de defectes: assaigs magnètics

Consisteixen en l’aplicació d’un camp magnètic a la peça que es

vol assajar. Si la peça no té defectes, l’estructura interna serà

homogènia (uniforme) i per tant, la permeabilitat magnètica

(capacitat de concentrar o dispersar les línies de força) serà

constant en tota la seva extensió.

En canvi si la peça té algun defecte la seva estructura no serà

homogènia i els raigs magnètics patiran una desviació allà on hi hagi

el defecte.

Aquest assaig té un inconvenient: només es pot aplicar en els

materials ferromagnètics (metalls fèrrics: acers i foses) que tenen

una permeabilitat magnètica elevada.

Assaigs no destructius o de defectes: assaigs magnètics

Assaigs no destructius o de defectes: assaigs per raigs X i raigs gamma

En materials no ferromgnètics o peces gruixudes.

Tant en els assajos per raigs X com els assajos per raigs gamma el

procediment es el mateix:

S’agafa el material a assajar i se li aplica els raigs X o gamma, que

són uns raigs radiactius que travessen el material que es vol assajar

i queden impressionats a unes plaques fotogràfiques.

Cada substància té un índex d’absorció de la radiació diferent.

Si el material no té defectes la imatge creada a la placa fotogràfica

serà uniforme, en canvi, si el material és defectuós, la imatge que es

crea a la placa no serà uniforme: el lloc de la projecció on es vegi la

taca diferent a la resta serà el lloc on hi ha la deformitat del material.

Assaigs no destructius o de defectes: assaigs per raigs X i raigs gamma

La diferècia entre els raigs X i els raigs γ és que els raigs gamma

són molt més potents que els raigs X i per tant s’utilitza per a

analitzar materials més gruixuts.

Assaigs no destructius o de defectes: assaigs per ultrasons

La tècnica dels assaigs per ultrasons és molt similar a l’ecografia.

Les ones d’ultrasons (f>20000Hz) es reflecteixen, es refracten i es

dispersen davant de canvis en el medi on es propaguen.

Aquestes propietats (en especial la reflexió) són aprofitades per

detectar defectes interns a les peces a avaluar.

Propietats tèrmiques

• La calor és la transferència (flux) d’energia tèrmica entre dos cossos o dues zones d’un mateix cos.

• La temperatura és una de les formes de mesurar l’energia tèrmica d’un cos o d’una substància.

• T(K) = T(ºC) + 273,15

• ΔT(K) = ΔT(ºC)

Recordem:

Propietats tèrmiques

• Les propietats tèrmiques indiquen com es comporta un material davant de la calor.

• Hi ha dues propietats tèrmiques amb importants implicacions tecnològiques: la conductivitat tèrmica i la dilatació.

Propietats tèrmiques: conductivitat tèrmica

• La conductivitat tèrmica és la velocitat de propagació de la calor entre dos punts del material, normalment és sòlid.

• Es defineix també com la facilitat que ofereix un material per permetre el flux d’energia tèrmica a través seu.

• La conductivitat depèn de diversos factors, com el material, la distància(gruix), la secció de l’objecte, la diferència de temperatures inicial i final, i el temps de propagació de la calor.

L

TAtQ

Q = calor, en J.

A = secció de l’objecte, superfície de

contacte entre les masses tèrmiques en m2.

t = temps, en s.

ΔT = increment de temperatura, en ˚C.

L = gruix o distància, en m.

λ = conductivitat tèrmica, en W/m˚C.


?

231

3

20

20

10·210

1·2

1

0

0

24

24

22

T

Cm

W

st

JQ

JT

mcm

mcmA

mL

CCCT

TTT

C

smCm

W

mJ

At

QLT

L

TAtQ

000

0

0

24

0

3,1643,14420

3,144

3·10·2·231

1·20

Exemple problema:

Tenim un objecte de 1m de llargada i 2 cm2 de secció, a una temperatura

de 20˚C. Apliquem a un dels seus extrems una quantitat de calor de 20J.

Quina serà la temperatura de l’altre extrem un cop han transcorregut 3s?

La conductivitat tèrmica de l’alumini és de 231W/m˚C.

Dades:


)(·

WL

TAPt

El quocient Q / t s’anomena potència tèrmica (Pt).

Així, la potència tèrmica transmesa:

Propietats tèrmiques: dilatació tèrmica

• La dilatació és el fenomen que provoca l’augment de les dimensions d’un material, especialment els metalls, quan augmenta de temperatura.

• La dilatació depèn: • Del material

• De l’increment de temperatura

• Diferents tipus de dilatacions: • Dilatació lineal → la dilatació és en longitud → α

• Dilatació superficial → la dilatació és en superfície → σ

• Dilatació cúbica → la dilatació és en volum → γ



Esquema d’una protecció tèrmica amb un parell bimetàl·lic


Education

Bat1 tema6 propietats