4.-propiedades-mecanicas

8/17/2019 4.-Propiedades-mecanicas

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Propiedades mecánicas dePropiedades mecánicas de

los materialeslos materiales

Dra. Verónica A Morales C


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Se define como propiedad de un material a una característica medible capaz de calificar un comportamiento o una respuesta del mismo a

impulsos externos, independientemente del tamaño y de la geometría

del elemento considerado.

Pueden ser Insensibles y Sensibles a la microestructura.

físicas químicas mecánicas

El comportamiento del

material bajo la acción

de agentes físicos

externos como el calor,

electricidad,

magnetismo o luz.

Pueden diidirse en!

electricas, magneticas,

opticas y termicas.

"as m#s importantes

son la oxidación y la

corrosión, sobre todo

en metales.

$efinen el comportamiento

de los materiales frente a

determinadas acciones

mec#nicas exteriores como

fuerzas odesplazamientos.

$escriben la capacidad del

material para comprimirse,

estirarse, doblarse, rayarse,

abollarse o romperse

Propiedades de los materialesPropiedades de los materiales


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Carga y EsfuerzoCarga y Esfuerzo

Carga (P! es la fuerza aplicada sobre un cuerpo el cual

normalmente se mide en "e#ton (" o libras ($b

Esfuerzo! %uerza que act&a sobre el área

unitaria en la que se aplica. $as unidades

normales son "'m lo que puede expresarse

como Pascal o incluso )ilopascal, *pa o

megapascal +pa (lo que es normal,principalmente en metales o $b'Pulg

El esfuerzo axial o normal a la superficie de

aplicación es el esfuerzo de tensión o

tracción y el opuesto es el de compresión.

En todo caso se simboliza por letra (sigma

El esfuerzo con dirección paralela al área en

la que se aplica se denota comoτ (tau y

representa un esfuerzo de corte ó cizalle


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Principales propiedades mecánicas de los materialesPrincipales propiedades mecánicas de los materiales


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-largamiento y eformación-largamiento y eformación

eformación Es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpodebido a esfuerzos internos producidos por una o m#s fuerzasaplicadas sobre el mismo.

Elástica o re/ersible! Si la deformación se recupera al retirar lacarga.

Plástica o irre/ersible! Si la deformación persiste despu%s deretirar la carga

El alargamiento o acortamiento, tambi0n llamado desplazamiento, se

simboliza como l

El aumento o disminución del área trans/ersal del cuerpo se simboliza

como -


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El módulo de elasticidad o módulo de 1oung

es una medida de la rigidez del material y

corresponde a la pendiente E de la recta inicialde la cura esfuerzo&deformación, donde se

'ace posible aplicar la ley de 2oo)e (ientras

mayor es el alor de E, mas rígido es el material

y menor ser# la deformación el#stica total

$ey de 2oo)e


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eformación unitaria elástica! Es una deformación

restaurable debido a un esfuerzo dado. Esta deformación

ocurre inmediatamente al aplicar el esfuerzo y desaparece

al momento de terminar el esfuerzo. En muc'os materiales

la deformación el#stica aumenta linealmente con el

esfuerzo y a la pendiente de esta recta se le llama módulo

de 1oung. - mayor módulo, mas cuesta deformar

elásticamente un material.

Esfuerzos de tensión ) *+-

Esfuerzo de corte se simbolizanτ

eformación de tensión ε

eformación corteγ


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eformación unitaria plástica! es la

deformación permanente de un

material, es decir, la deformación no

disminuye al quitar el esfuerzo.


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Ensayo de tracciónEnsayo de tracción

Para conocer las cargas ue pueden soportar los

materiales, se efect/an ensayos para medir su

comportamiento en distintas situaciones.

El ensayo destructio m#s importante es el ensayo de

tracción, donde se coloca una probeta en una m#uina

de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra

móil..


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+edidas de probetas+edidas de probetas



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En este ensayo se aplica una fuerza que /a en aumento y sedetermina cuanto cambia la longitud de la probeta (decualquier material que se quiera ensayar 3asta que laprobeta se rompe.

$a fuerza aplicada se conoce como Carga y se mide enunidades de fuerza como ne#ton o *gf.

El cambio de longitud se conoce como desplazamiento y launidad es pulg, metro, centímetro o milímetro y correspondea la longitud final 4 la longitud inicial (l5lo 6l

7e puede graficar carga (y /'s desplazamiento.(x

El rompimiento del material se llama ruptura

8ambi0n se puede graficar esfuerzo (en unidades defuerza'área /s deformación (pulg'pulg, cm'cm ó mm'mm



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$a figura muestra el gráfico obtenido en una máquina de

ensayo de tracción para un acero.

Cur/a %uerza5eformación de un -cero.Cur/a %uerza5eformación de un -cero.



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* 0 P* 0 Pypyp )yield point-)yield point-


9ona lineal! zona elástica (deformación elástica

9ona cur/a, que aumenta y luego disminuye es zonaplástica

Punto donde el material empieza una gran deformación sinque aumente la carga de forma significati/a es el punto defluencia y la carga donde el material de:a de ser elásticopara ser plástico se llama fuerza de fluencia

$legado al punto de fluencia (yeld point, el material sedeforma de forma irre/ersible pero 3omog0neamente a lo

largo de toda la probeta.


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urante la deformación plástica puede llegar unpunto máximo, donde se logra la carga máxima

$uego de la %max se forma en el material un puntod0bil que forma un cuello y en ese punto elmaterial se rompe y la fuerza a la que esta ocurrese llama fuerza de ruptura %ruptura

* 0 P* 0 Pmaxmax

* 0 P* 0 Prupturaruptura



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Para expresar "a carga en t%rminos

independientes del tamaño de la probeta, se

diiden las cargas por la sección transersal inicial

o , obteni%ndose la resistencia Ingenieril!

0

yp

yp

A

P σ =

resistencia a la fluencia!resistencia a la fluencia!



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resistencia a la tracción!resistencia a la tracción!

0

max

A P σ =

max

1nidades ! 2g+mm1nidades ! 2g+mm33 o (pa o 2psi.o (pa o 2psi.

4onsiderando una probeta cilíndrica.4onsiderando una probeta cilíndrica.

4

πD A

2

00 =


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e la misma forma, el desplazamiento depende de la

longitud inicial del material.

Para independizar esta deformación del tama;o inicial

del cuerpo, se di/ide este desplazamiento por el largo

inicial, obteniendo la eformación.

7i el esfuerzo es , se produce una deformación tipo < .

Por otro lado, si el esfuerzo es de tipoτ

, la deformación

es γ


Esfuerzos de tensión ) *+-

Esfuerzo de corteτ

eformación de tensiónε

eformación corteγ


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$a figura siguiente ilustra una probeta al inicio del

ensayo indicando las medidas iniciales necesarias.



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-nalizando las probetas despu0s de rotas, es posible

medir dos parámetros! El alargamiento final $f y el

diámetro final f , que nos dará el área final -f .



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El equipo entrega /alores de carga /ersusdesplazamiento, pero es importante transformar los

/alores a esfuerzo y deformación, y son estos datos los

que se grafican para determinar las propiedades de los

materiales.


Elasticidad!

Es el comportamiento de un material

ante una carga que lo deforma antes delpunto de fluencia


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En la figura siguiente se presenta un e:emplo

del gráfico Esfuerzo5eformación de un acero.


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=btención del limite de cedencia que se realiza con la con/encióndel >,? ó >,>>. e esta forma se obtiene la resistencia a la

cedencia.

Cuando el cambio entre deformación plástica y elástica es abrupta,

este límite se llama punto de fluencia, cuando no, se obtiene el

límite de cedencia

5,553

Punto de cedencia

Punto de cedenciaPunto de cedencia


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En la zona el#stica se cumple!En la zona el#stica se cumple!

E 0 (ódulo de Elasticidad 0 3,6E 0 (ódulo de Elasticidad 0 3,6 ..656577 )2g + cm)2g + cm33--

Pero!Pero!

0 A

F

σ =0

0 f

L

L L

ε

−

=

yy

σ

0 E0 E .. ε


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0

0

0 L

L L E

A

F f −⋅=

4on lo cual4on lo cual

) L K(L ) L(L L

A

E F 0 f 0 f 0

0−=−=

con lo ue uedacon lo ue ueda


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Estos parámetros se expresan como porcenta:e de reducción de

área ?@- y porcenta:e de alargamiento entre marcas ? $!

uctilidaductilidad

Propiedad que poseen ciertos metales

para poder estirarse en 3ilos delgados

o /arillas. E:m! oro, plomo


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-mbos parámetros son las medidas normalizadasque definen la ductilidad del material, que es la

capacidad para fluir, es decir, la capacidad para

alcanzar grandes deformaciones sin romperse.

$a fragilidad se define como la negación de la

ductilidad. An material poco d&ctil es frágil. $a

figura siguiente permite /isualizar estos dosconceptos gráficamente.

uctilidaductilidad


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uctilidaductilidad


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En los siguientes e:emplos de cur/as σ -ε se puede

obser/ar las características de cada material!

El 3ule muestra una gran ductilidad al alcanzar una gran

deformación ante cargas peque;as

El yeso y el carburo de tungsteno muestran poca

ductilidad, ambos no tienen una zona plásticaB se rompen

con /alores ba:os de elongación! son materiales frágiles.

$a &nica diferencia entre ellos es la resistencia que

alcanzan.

uctilidaductilidad


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El área ba:o la cur/a fuerza 5 desplazamiento (% /ersus $

representa la energía disipada durante el ensayo, es decir la

cantidad de energía que la probeta alcanzó a resistir. - mayor

energía, el material es más tenaz .

7i se determina el área ba:o la cur/a (o recta de la zona

elástica se obtiene la energía que absorbe durante ladeformación elástica y este /alor se llama modulo de

resiliencia

8enacidad y resiliencia8enacidad y resiliencia


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7i probeta se saca del equipo antes de la ruptura, material se contrae pero

nunca a longitud inicial

Endurecimiento por deformaciónEndurecimiento por deformación


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Endurecimiento en fríoEndurecimiento en frío


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An material tiene resistencia a la flexión si es capaz de

soportar cargas que pro/oquen momentos flectores en su

sección trans/ersal. El ensayo 3ace que la probetaexperimente un esfuerzo de compresión en la superficie

cónca/a y un esfuerzo de tensión en la con/exa. - tra/0s de la

prueba de flexión podemos obtener información de su módulo

de elasticidad, el cual indica si el material es rígido o flexible.

%lexión%lexión


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Ensayo %lexiónEnsayo %lexión

3

max

PLE =

48Iδ 8flexion0 9P"

3:'3

3

Ecuatorial

1I = bh

12


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En el ensayo de flexión, no se usa la deformación, sino la deflexión que

es la distancia que ba:a el punto del material donde se aplica la carga.

7e puede determinar la elasticidad de flexión, tambi0n llamado móduloelástico de flexión o simplemente módulo de flexión

Ensayo %lexiónEnsayo %lexión


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Existen otros ensayos destructi/os que

permiten e/aluar la resistencia del material

frente, por e:emplo, al impacto (o resiliencia.

El ensayo C3arpy permite calcular cuánta

energía logra disipar una probeta al ser

golpeada por un pesado p0ndulo en caída libre.

Ensayo de C3arpyEnsayo de C3arpy

(absorción de energía(absorción de energía


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El ensayo entrega /alores en oules, y 0stos pueden diferir

fuertemente a diferentes temperaturas. $a figura siguiente

permite e/aluar la diferencia entre probetas antes y despu0sdel ensayo.

Probetas de un ensayo de impacto



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Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la

composición química, esto obliga a realizar el ensayo con probetas

a distinta temperatura, para e/aluar la existencia de una

Dtemperatura de transición d&ctil5frágilD. Este ensayo se lle/a a ungráfico como el mostrado en la figura siguiente donde se puede

apreciar un fuerte cambio en la energía disipada para algunos

aceros de ba:o carbono. +ientras que el níquel no muestra una

/ariación notable.

$a probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de la

fisuraB este entalle recibe el nombre de 5"otc3. $uego de golpearla probeta, el p0ndulo sigue su camino alcanzando una cierta altura

que depende de la cantidad de energía disipada al golpear. $as

probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en

cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse.


E d C3


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@esultados de pruebas de impacto para /arias aleaciones,

medidos a tra/0s de un inter/alo de temperatura

8emperatura de transición /ítrea



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$a dureza es una propiedad fundamental de los

materiales y esta relacionada con la resistenciamecánica. $a dureza puede definirse como la

resistencia de un material a la penetración o

formación de 3uellas localizadas en una superficie.

Cuanto más peque;a sea la 3uella obtenida en

condiciones normalizadas, más duro será el material

ensayado

urezaureza


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Ana de las /enta:as del ensayo de dureza es

que los /alores entregados pueden usarse

para 3acer una estimación de la resistencia a

la tracción.

$a dureza superficial puede aumentarse

a;adiendo al material una capa de carbono,

en un tratamiento t0rmico denominado

cementación.

Ensayos de urezaEnsayos de ureza


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"a clasificación y los m%todos arían con cada"a clasificación y los m%todos arían con cada

material, dando origen a los n/meros de dureza!material, dando origen a los n/meros de dureza!

; )umber- )umber-

;


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Ensayo AI42E?S.Ensayo AI42E?S.


Indentador de $iamante


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Gndentador! Cono dediamante (2@-, 2@C,

2@

Carga!

P- H I> *gPC H JK> *g

P H J>> *g

Ensayo @=C*LE$$ -, C, Ensayo @=C*LE$$ -, C,

*ormula!


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Gndentador!Gndentador!

Esfera de aceroEsfera de aceroφ

H J'JI MNH J'JI MN

(2@F, 2@%, 2@O(2@F, 2@%, 2@O

Esfera de aceroEsfera de aceroφ

H J' MNH J' MN

(2@E(2@ECarga!Carga!

PF H J>> *gPF H J>> *g

P% H I> *gP% H I> *g

PO H JK> *gPO H JK> *gPE H J>> *gPE H J>> *g

Ensayo @=C*LE$$ F, %, O, EEnsayo @=C*LE$$ F, %, O, E

*ormula!


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" t bl t l i l i t l" t bl t l i l i t l


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"a tabla muestra las euialencias entre algunos"a tabla muestra las euialencias entre algunos

de los n/meros de dureza superficial y presentade los n/meros de dureza superficial y presenta

una estimación de la resistencia a la tracción.una estimación de la resistencia a la tracción.

urezaic)ers

2

urezaFrinell

2F

ureza@oc)#ell @esistencia

a la 8ensión"'mm. 2@F 2@C

> QI KK

K >,Q RJ Q>

S> K,K R K

SK S>, K T>K

J>> SK KI, T>

J>K SS, TTK

JJ> J>K K,T TK>


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JJKJJK J>SJ>S TQ>TQ>

J>J> JJRJJR II,QII,Q TKTK

JKJK JJSJJS R>>R>>

JT>JT> JRJR QJ,QJ, RJKRJK

JTKJTK JJ RT>RT>

JR>JR> JTTJTT QKQK RK>RK>

JRKJRK JTJT RIKRIK

JK>JK> JRTJRT Q,QQ,Q R>R>

JKKJKK JRQJRQ RSKRSK

JI>JI> JKJK KJ>KJ>

JIKJIK JKIJKI KT>KT>

JQ>JQ> JIJI KK KRKKRK


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JQKJQK JIIJII KI>KI>

J>J> JQJJQJ Q,JQ,J KQKKQK

JKJK JQIJQI KSKKSK

JS>JS> JJJJ S,KS,K IJ>IJ>JSKJSK JKJK IKIK

>>>> JS>JS> SJ,KSJ,K IR>IR>

>K>K JSKJSK S,KS,K II>II>

J>J> JSSJSS ST,KST,K IQKIQK

JKJK >R>R SRSR IS>IS>

>> >S>S SKSK Q>KQ>K

KK JRJR SISI Q>Q>

T>T> JSJS SI,QSI,Q QR>QR>

TKTK TT QKKQKK

R>R> S,JS,J >,T>,T QQ>QQ>

RKRK TTTT J,TJ,T QKQK

K>K> TT SS,KSS,K ,, >>>>

KKKK RR T,JT,J >>


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56/59

TS>TS> TQJTQJ TS,TS, JKKJKK

R>>R>> T>T> R>,R>, JS>JS>

RJ>RJ> TS>TS> RJ,RJ, JT>JT>

R>R> TSSTSS R,QR,Q JTK>JTK>

RT>RT> R>SR>S RT,IRT,I JTKJTK

RR>RR> RJRJ RR,KRR,K JR>JR>

RK>RK> RR RK,TRK,T JRKKJRKK

RI>RI> RTQRTQ RI,JRI,J JRKJRKRQ>RQ> RRQRRQ RI,SRI,S JK>JK>

R>R> (RKI(RKI RQ,QRQ,Q JKKKJKKK

RS>RS> (RII(RII R,RR,R JKSKJKSK

K>>K>> (RQK(RQK RS,JRS,J JIT>JIT>

KJ>KJ> (RK(RK RS,RS, JIIKJIIK

K>K> (RSR(RSR K>,SK>,S JQ>>JQ>>

KT>KT> (K>R(K>R KJ,JKJ,J JQR>JQR>


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KR>KR> (KJT(KJT KJ,QKJ,Q JQQKJQQK

KK>KK> (KT(KT K,TK,T JJ>JJ>KI>KI> (KT(KT KTKT JRKJRK

KQ>KQ> (KR(KR KT,IKT,I J>J>

K>K> (KKJ(KKJ KR,JKR,J JS>JS>

KS>KS> (KIJ(KIJ KR,QKR,Q JSKKJSKK

I>>I>> (KQ>(KQ> KK,KK, >T>>T>

IJ>IJ> (K>(K> KK,QKK,Q >Q>>Q>

I>I> (KS(KS KI,TKI,T J>KJ>K

IT>IT> (KSS(KSS KI,KI, JRKJRK

IR>IR> (I>(I> KQ,TKQ,T J>J>

IK>IK> (IJ(IJ KQ,KQ,

II>II> K,TK,T


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IQ>IQ> K,K,

I>I> KS,KS,

IS>IS> KS,QKS,Q

Q>>Q>> I>,JI>,J

Q>Q> IJIJ

QR>QR> IJ,IJ,

QI>QI> I,KI,K

Q>Q> IT,TIT,T

>>>> IRIR

>> IR,QIR,Q

R>R> IK,TIK,T

I>I> IK,SIK,S

>> II,RII,R

S>>S>> IQIQ

S>S> IQ,KIQ,K

SR>SR> II

8abla Escala Comparati/a de Orados de ureza con

la Estimación de la @esistencia a la 8racción


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