2014 ii semana 4

Ing. Enrique De La Cruz 1

PROPIEDADES MECNICAS - I

Propsito de la sesin de clases:

Conocer las principales Propiedades Mecnicas a partir de larealizacin de Ensayos destructivos, en particular el detraccin, que influyen finalmente en la calidad de losmateriales de ingeniera.

Introduccin:

Aplicaciones de la relacin: Estructura vs Propiedades

CASO 1.: La estructura de los materiales tiene una influencia profunda en

muchas de sus propiedades, incluso en el caso de que ste no haya

sufrido algn cambio en su composicin general.

Alambre de

cobre puro

Se le dobla en

forma repetida

Qu sucede, s?

Se endurece.

Se vuelve ms frgil

Se vuelve tan duro y tan

frgil que al final se rompe.

entonces, esos cambios en las propiedadesa qu se debe?

Rpta.: a los cambios ocurridos en su ESTRUCTURA INTERNA a una

escala muy pequea o microscpica llamada MICROESTRUCTURA.

PROPIEDADES MECNICAS:PROPIEDADES MECNICAS - I

pero sabemos que los materiales cermicos por naturaleza NOson conductores de la corriente elctrica, entoncescmo puedeser posible que existan tales materiales?...

Se tuvo que realizar una mezcla con otros materiales, por ejemploformando xidos de itrio, bario y cobre, tal como: YBa2Cu3O7-x,que conducen bien la corriente elctrica a T. muy bajas tales como-123C. Sin embargo hoy en da con el uso de tcnicas adecuadasse les puede trabajar a temperatura an mayores

CASO 2.: Sabias que hoy en da secuenta con SUPERCONDUCTORESCERMICOS. Materiales que conducenla corriente elctrica sin ofrecer algunaresistencia

Introduccin:



CASO 3.: A qu se debe que no se utilice el cermico Al2O3, porejemplo en los motores de los automviles, en lugar del aluminiometlico?

Rpta.: el xido de aluminio NO resiste las exigencias mecnicasnecesarias a diferencia de las aleaciones de aluminio, esto es,cargas de impacto relativamente severas, por ejemplo, ms bienste es quebradizo.El hecho de ser quebradizotendr que ver con la estructura deestos materiales?...

Introduccin:


PROPIEDADES MECNICAS:

En trminos generales, s, es importante conocer si ladisposicin espacial de los iones Al+3 y O-2, en nuestrocaso, facilitan que el material sea poroso (huecos ovacos) o compacto. Sin embargo, por ser xido, msinfluye en su fragilidad el tipo de enlace inico que sepresenta.


Si bien el aluminio metlico es ms resistente que suxido, se podra inferir entonces, que todos los metalesson muy resistentes?

Es el caso, por ejemplo, de la comparacin entreel aluminio y el magnesio, cuyas aleacionestienen diferente comportamiento mecnico. Elmagnesio es un material frgil mientras que elaluminio dctil.Aluminio

Magnesio

Si analizamos sus estructuras, el magnesio presentaun empaquetamiento hexagonal mientras que elaluminio, cbico centrado en las caras. Este segundotipo de estructura le facilita que el material seadeformado sin necesidad de romperse con facilidad.

Introduccin:


PROPIEDADES MECNICAS:

Si bien es cierto que los metales son ms resistentesmecnicamente que los cermicos, hay metales cuya resistenciano es muy buena.


Para comprender las propiedades, o caractersticas

observables de los materiales, es necesario comprender su

estructura ya sea a escala atmica y/o microscpica.James Schackelford

Podemos decir entonces que la ductilidad, comopropiedad de los metales, depende de la facilidadcon que se produce la deformacin mecnicaa escala atmica.

Para el caso del aluminio hay cuatro veces msposibilidades o caminos disponibles para que sedeforme sin llegar a romperse a diferencia de lasaleaciones del magnesio.

Probetas de traccin de aluminio

Si bien el aluminio metlico es ms resistente que suxido, se podra inferir entonces, que todos los metalesson muy resistentes?

Introduccin:



Ing. Enrique De La Cruz

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El conocimiento de las diferentes propiedades que los materiales deingeniera nos ofrece exige que a stos se les someta a una seriede pruebas o Ensayos normalizados segn estndares nacionales ointernacionales.

Los ensayos se clasifican segn la deformacin o destruccin fsicaque se le pueda hacer al material, tenemos:

Ensayos destructivos:

Traccin

Impacto

Fatiga, etc.

Ensayos no destructivos

Tintes penetrantes

Partculas magnticas

Ultrasonido

Rayos X

Tipos de

esfuerzos

Se estudiarn algunos Ensayos Destructivos cuya finalidad es darnos aconocer las principales Propiedades Mecnicas de ingeniera.

Qu son las Propiedades Mecnicas y cul es su importancia?


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Son aquellas que estn relacionadas con el comportamiento del materialcuando se les somete a esfuerzos. Nos permiten medir la resistencia delmaterial a determinados esfuerzos. Los resultados as obtenidos nospermiten saber sobre la calidad de los mismos, aspecto que finalmenteinfluyen en la toma de decisiones.


ENSAYOS DESTRUCTIVOS

Ensayo de dureza

Ensayo de impacto

Ensayo de traccin

Ensayo de flexin

Ensayo de fatiga

Procedimientos normalizados cuyo objetivo es determinar propiedadesy/o caractersticas de los materiales, o tambin determinar el estadoservible de un material que ya trabajo.

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Se coloca una probeta sujetada por dos mordazas, una fija y otra mvil. Se mide la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza mvil. La mquina de ensayo impone la deformacin desplazando el cabezal mvil a unavelocidad seleccionable. La celda de carga, conectada a la mordaza fija, entrega una seal que representa lacarga aplicada.

Composiciones qumicas de los materiales

Propiedades diferentes

Cada material secomportar de distintamanera ante la accinde una fuerza.

Ensayo de Traccin

Es el ensayo destructivoms importante quebrinda al ingeniero uncriterio para la seleccindel material paradeterminada aplicacin.

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ENSAYO DE TRACCIN

PROBETA:

Dimensiones y forma segnla norma que se utilice. NTP ASTM DIN ASME JIS UNE AISI AFNOR UNI GOST, etc.

ENSAYO DE TRACCIN

De los diferentes materiales deingeniera, no se usa para aquellosque son cermicos, para ellos seutiliza el ensayo de compresin.

La probeta puede ser de cualquiermaterial?

Importante:Se debe garantizar que larotura de la probeta estsiempre dentro de las marcassealadas.

So

Lo


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Con el objeto que en cada ensayo se obtengan resultados comparables, lasdimensiones de las probetas han sido normalizadas.

A partir de (3), si se sigue aplicando ms esfuerzo, la probeta seva alargando y su seccin transversal(rea) se va reduciendo.

DIAGRAMA FUERZA - ALARGAMIENTO


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El ensayo de Traccin nos permite determinar la curva esfuerzo deformacin de cada material donde podremos determinar suscaractersticas elsticas, plsticas y de tensin que pueda soportar elmaterial.


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DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA

F : Cargaaplicada(N)Ao: rea de la seccintransversalde la probetasindeformacin(m2)

AO : Esfuerzo o tensin ingenieril (Pa = N/m2)

En 1, el material se comporta comoun resorte, es decir, recupera suforma inicial cuando se elimina lacarga aplicada.

En 2, los alargamientos que se producen sonpermanentes, es decir, el material ya no secomporta como un resorte. Cuando se elimina lacarga aplicada, el material mantiene unadeformacin permanente.


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1. ZONA ELSTICA

Ley de Hooke

= E .

Implica un rango de tensiones para el que se cumple una correlacincuasilineal entre y

Lmite elstico (E)Valor mximo de tensin que puedesoportar un material, manteniendo sucomportamiento elstico.


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Mdulo de elasticidad o de Young (E)Relacin existente entre la tensin aplicaday la deformacin unitaria producida.

E

E = tg E = tg Grficamente, E, es la pendiente de lalnea elstica.

Dicha linealidad es una corroboracin grfica dela ley de Hooke, donde ,E, sera la constante deproporcionalidad.


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1. ZONA ELSTICA

Lmite elstico (E)Valor mximo de tensin que puedesoportar un material, manteniendo sucomportamiento elstico.


Si resultara difcil determinar conprecisin el punto de perdida de lalinealidad (ingreso a la zona plstica),lo que se tiene como convenio esdefinir el E como

Implica un rango de tensiones para el que se cumple una correlacincuasilineal entre y

p0,2

2. ZONA PLSTICA

Esta zona corresponde a la regin delimitada por tensiones superioresal lmite elstico (E), no existiendo proporcionalidad entre las tensionesaplicadas y las deformaciones producidas.


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M

E

La tensin sigue aumentando hastaalcanzar un valor mximo, denominadoresistencia ltima a la traccin o,simplemente, resistencia a latraccin, M

2. ZONA PLSTICA

Esta zona corresponde a la regin delimitada por tensiones superioresal lmite elstico (E), no existiendo proporcionalidad entre las tensionesaplicadas y las deformaciones producidas.


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Entre la zona comprendida entre p0,2y M, la resistencia aumenta a medidaque aumenta la deformacin,fenmeno que se conoce comoendurecimiento por deformacin,que se manifiesta en el conformado delmaterial mediante la acritud(deformacin en frio).

M

p0.2

Endurecimiento por deformacin

Estriccin (Z)Medida de la reduccin de seccin dematerial.

rea bajo la curva de traccinEnerga absorbida durante el ensayode traccin. Es un indicativo de latenacidad del material.

2. ZONA PLSTICA



Alargamiento a la rotura (A)Deformacin relativa del material hastala rotura.

AO - Af

AO Z =

2. ZONA PLSTICA



Por qu finalmente se rompe

el material?

Se debe a que a partir del punto e

el debilitamiento producido por la

estriccin (contraccin lateral)

supera al aumento de resistencia

de la acritud.

ef


DIAGRAMA TENSIN REAL DEFORMACIN REAL

Despus de la tensin Mrealmente sta comienza adisminuir?

Rpta.: No, en realidad porconvencin las tensiones han sidocalculadas en referencia de ladimensin inicial de la probeta,F/AoCuando se alcanza la tensin, MLa probeta comienza a sufrir unaestriccin dentro de la longitudcalibrada. La tensin verdadera,M = F/Areal continuaaumentando hasta alcanzar elpunto correspondiente a la rotura.

M

DIAGRAMA TENSIN REAL DEFORMACIN REAL


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AO

Ing. Enrique De La Cruz23

Resumiendo


Qu propiedades mecnicas clave se obtienen del Ensayo deTraccin?

1

2

3

5

4

1.- Mdulo elstico, E.

2.- Lmite elstico, E = p 0,2

3.- Resistencia a la traccin, R

4.- Ductilidad, 100 x fracturaTener presente que hay una recuperacin elsticaantes de la fractura.

fractura

f

5.- Tenacidad = d que grficamenterepresenta la grfica bajo la O f

Otras propiedades son: Tensin de rotura, fractura, f Alargamiento a la rotura, y Estriccin


1. ZONA ELSTICA

Importante:

Normalmente, para tener en

cuenta la precisin de los

ensayos se admite como

lmite elstico el esfuerzo al

que corresponde una

deformacin permanente

comprendida entre el 0,001%

y el 0,005%.



Para cierto tipo de materiales la

fuerza disminuye hasta un valor

determinado por el punto fi,

denominado lmite inferior de

fluencia. Esto es tpico para los

materiales que son relativamente

dctiles tales como el acero, Al y Cu.

2. ZONA PLSTICAHasta un punto fs que se llama

lmite superior de fluencia los

alargamientos son pequeos pero al

llegar a l aumentan

considerablemente sin necesidad de

aumentar la fuerza.



2. ZONA PLSTICA

Existen otros materiales como la fundicin,

el hormign y el vidrio, para los cuales los

diagramas esfuerzos-deformaciones no

presentan una zona de fluencia

definida, por lo que en estos materiales

se toma convencionalmente como

esfuerzo de fluencia el esfuerzo al que

corresponde una deformacin permanente

igual al 0,2%. En estos materiales

llamados frgiles, la rotura aparece

bruscamente sin previo aviso, lo que es un

grave inconveniente para las estructuras.

Todos los materiales tendrn zona

de fluencia definida?


Las importantes deformaciones que

experimenta la probeta en la zona de

fluencia, producen a partir del punto d un

aumento de la resistencia del material

conocida por acritud.

2. ZONA PLSTICA


Esta propiedad hace que sea preciso incrementar de nuevo la carga para

que las deformaciones continen, hasta llegar al punto e en que la carga

alcanza su mximo valor al que corresponde el mximo esfuerzo R, o

esfuerzo de rotura.


En la regin descrita por la lnea OA, el esfuerzo,, y la deformacin,, sondirectamente proporcionales, se dice entonces que el comportamiento delmaterial es lineal.

Despus del punto A ya no existe esta relacin lineal por lo que el esfuerzo en elpunto A se denomina lmite de proporcionalidad.

Lmite de proporcionalidad

Esfuerzo de fluencia

Regin lineal

Plasticidad perfecta o fluencia


Estriccin

Tensin de rotura

X

X


Estriccin


Unidad 5 Comportamiento Mecnico de los Materiales.

La relacin lineal entre el y la puede expresarse mediante la ecuacin (Ley de Hooke)

= E , donde E es una constante de proporcionalidad conocida como el mdulo deelasticidad del material.



Regin lineal



Estriccin

Esfuerzo ltimo

El mdulo de elasticidad, E, es la pendiente del diagrama vs en la regin linealmenteelstica, y su valor depende del material particular que se utilice.

X

X


Tensin de rotura

Estriccin


Cuando la curva se desva de la recta inicial, el material alcanza el punto de

fluencia, desde aqu el material comienza a adquirir una deformacin permanente. A

partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedara ms larga que al

principio. La Ley de Hooke no se cumple con exactitud y se define que ha comenzado

la zona plstica del ensayo de traccin. El valor lmite entre la zona elstica y la

zona plstica es el punto de fluencia (yield point)


mx.




Despus de sufrir las deformaciones en BC, el material muestra un endurecimiento pordeformacin. En este proceso sufre cambios en sus estructuras cristalinas posibilitando unincremento en la resistencia del material.



Regin lineal



Estriccin

Esfuerzo ltimo

Un alargamiento requiere de un incremento en la carga de tensin, y el diagrama vs tomauna pendiente positiva desde C hasta D.

X

X


Tensin de rotura

Estriccin



La carga alcanza su valor mximo y el esfuerzo correspondiente (en el punto D) se denomina

tensin de rotura. De hecho, el alargamiento posterior de la barra se acompaa de una

reduccin en la carga y finalmente se presenta la fractura en un punto X.



Regin lineal


Endurecimiento por deformacin Estri

Esfuerzo ltimo

X

X


Tensin de rotura

Estriccin


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