4. propiedades mecanicas.ppt
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UNIDAD 4
Ensayos Mecánicos
Ing. Jaime González Vivas
¿ALGUNA VEZ SE PREGUNTO?
….. QUE MATERIALES Y FACTORES AFINES DESEMPEÑARON UN PAPEL IMPORTANTE EN EL HUNDIMIENTO DEL TITANIC ?
….. POR QUE ALGUNOS METALES Y PLÁSTICOS SE VUELVEN FRÁGILES A BAJAS TEMPERATURAS ?
….. POR QUE LOS AVIONES TIENEN UNA VIDA FINITA EN SERVICIO ?
PROPOSITO DE LA SESION DE CLASE
Analizar las principales Propiedades Mecánicas a partir de la realización de Ensayos destructivos, en particular el de tracción, que influyen finalmente en la calidad de los materiales de ingeniería.
Objetivo: Explicar los conceptos del comportamiento elástico y plástico de los materiales.
2.1 Introducción
2.2 Resistencia de materiales
2.3 Comportamiento elástico y plástico
2.4 Comportamiento dúctil y frágil
2.5 Conceptos de esfuerzo y deformación
Efecto de una fuerza sobre un sólido Esfuerzo (σ)
AF La magnitud del efecto es directamente
proporcional a F e inversamente proporcional a A
La fuerza interna de reacción afecta los enlaces que mantienen unidas a las partículas del sólido, produciendo fuerzas entre ellos.
La magnitud de la reacción en cada enlace depende de la magnitud de la fuerza aplicada y de la cantidad de partículas que resisten la acción de esa fuerza.
La cantidad de enlaces que soporta tal fuerza esta directamente relacionada con el área transversal a la dirección en que actúa la fuerza.
La magnitud del efecto es directamente proporcional a F e inversamente proporcional a A
Los materiales poseen una serie de características, entre las cuales destacan las propiedades mecánicas, tales como:
Ductilidad
Maleabilidad
Resistencia
Dureza
Tenacidad
Existen ensayos que permiten determinar el comportamiento de un material ante la aplicación de una carga. Los resultados de estas pruebas constituyen las propiedades mecánicas del material. Es conveniente, entonces, aclarar algo el significado de estos términos.
Ductilidad: capacidad que tiene un material para deformarse sin romperse cuando está sometido a esfuerzos de tracción; por ejemplo en el estirado de un alambre.
Maleabilidad: capacidad que presenta el material para soportar deformación sin rotura sometido a compresión, caso de forja o laminado.
Elasticidad: capacidad de un material que ha sido deformado para regresar a su estado y tamaño original, cuando cesa la acción que ha producido la deformación. Cuando el material se deforma permanentemente, de tal manera que no pueda regresar a su estado original, se dice que ha pasado su límite elástico.
Dureza: Mide la resistencia a la penetración sobre la superficie de un material, efectuada por otro material.
Resistencia: se definen varias; por ejemplo, resistencia a la tracción es la carga (Fuerza) máxima por unidad de área que puede soportar el material al ser estirado. Los valores de resistencia son utilizados en todo lo que se refiere a diseño.
Fragilidad: Lo opuesto a ductilidad. Un material frágil no tiene resistencia a cargas de impacto y se fractura aún en cargas estática sin previo aviso. Tanto la fragilidad como la ductilidad de un material son mediadas arbitrarias, pero puede decirse que un material con un alargamiento mayor de 5% es dúctil y menor de 5% es frágil. Se pueden clasificar los materiales en frágiles y dúctiles, habiendo dentro de ellos diferentes grados.
Tenacidad: Es la energía absorbida por el material durante el proceso de deformación y ruptura; está directamente relacionada con la resistencia y ductilidad. Por ejemplo, el vidrio, el hierro fundido y el acero endurecido son poco tenaces, porque sus ductilidades son muy bajas y en algunos casos casi cero, aunque tienen una buena resistencia (bastantes duros). Un metal como el cobre es bastante tenaz, pues tiene una buena resistencia y buena ductilidad. Mientras que una "goma de mascar" tiene menos tenacidad, ya que aunque la ductilidad es enorme su resistencia es muy baja.
Plasticidad: Es la habilidad de un material para adoptar nuevas formas bajo la presión y retener esa nueva forma. El rango de adaptación puede variar considerablemente de acuerdo con el material y sus condiciones.
Esfuerzo: Fuerza aplicada a un área conocida.
Ensayos Mecánicos.
Tensión (tension test)
Dureza (hardness test)
Torsión (torsion test)
Fractura (fracture mechanics)
Fatiga (fatigue)
Creep (Creep and stress rupture)
Impacto y fractura frágil (brittle fracture and impact testing)
Composición
Microestructura
Ensayo de tensión
El Ensayo de tracción se realiza bajo la norma ASTM E-8 ASTM A 370
Se coloca una probeta estándar (0,505 pulg de diámetro y longitud calibrada de 2 pulg) en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil.
Equipamiento para el ensayo de tensión
Esquema de probetas que se utilizan en el ensayo de tracción
Probetas normalizadas.
Esfuerzo y deformación ingenieriles
Los resultados de un ensayo se aplican a todos los tamaños y secciones transversales de un material, siempre que la fuerza se convierta en esfuerzo y la distancia entre las marcas de calibración se conviertan en deformación
Esfuerzo ingenieril
Deformación ingenieril
0AF
0ll
A0: área sección
transversal original
Io: distancia original entre
marcas de calibración
I: cambio de longitud después de haber aplicado el esfuerzo
Curva esfuerzo deformación para una aleación de aluminio
Comportamiento elástico y plástico
La experiencia muestra que todos los materiales pueden ser deformados cuando se aplica una carga externa.
Comportamiento elástico
Comportamiento plástico
Comportamiento elástico Comportamiento plástico
Límite elástico
Un cuerpo que se ha deformado permanentemente se dice que ha sufrido una deformación plástica
El sólido recupera las dimensiones originales al eliminar la carga (deformación elástica)
Curvas tensión deformación de algunos metales y aleaciones
Propiedades obtenidas en el ensayo de tensión
• Esfuerzo de cedencia (esfuerzo de fluencia):
esfuerzo que divide los comportamientos elásticos y
plásticos del material. El valor crítico del esfuerzo necesario
para iniciar la deformación plástica se llama límite elástico
del material. En los materiales metálicos es el esfuerzo
necesario para iniciar el movimiento de las dislocaciones.
El límite elástico puede definirse como el esfuerzo mínimo
al que ocurre la primera deformación permanente.
• Resistencia a la tensión (resistencia a la tracción): Esfuerzo obtenido con la máxima fuerza aplicada
Es el esfuerzo máximo, basado en la sección transversal original, que puede resistir un material.
Es el esfuerzo en el cual comienza la estricción en los materiales dúctiles
Deformación localizada durante el ensayo de tensión de un material dúctil, produciendo una región de cuello
• Esfuerzo de ruptura:
es el esfuerzo basado en la sección original, que produce la fractura del material
La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la fuerza deje de subir. Al adelgazarse la probeta, la fuerza queda aplicada en menor área, provocando la ruptura.
Esquema de la secuencia de ruptura de las probetas en un ensayo de tracción
• Módulo de elasticidad o módulo de Young (E):
es el valor de la pendiente de la parte recta del diagrama esfuerzo v/s deformación unitaria
),( psiPaE
Ley de Hooke
Es una medida de la rigidez de un material
Tiene una estrecha relación con la energía de enlace atómico, por lo tanto es mayor para materiales de punto de fusión alto.
Un alto módulo de elasticidad indica que se necesitan grandes fuerzas para separar los átomos y producir la deformación elástica del metal.
Resiliencia
Es la capacidad de un material para absorber energía cuando es deformado elásticamente y devolverla cuando se elimina la carga
Módulo de resiliencia: Corresponde a la energía de deformación por unidad de volumen requerida para deformar el material hasta el límite elástico
• Tenacidad a la tensión:
Capacidad de absorber energía en el campo plástico, antes de fracturarse (trabajo de fractura).
Se determina como el área bajo la curva esfuerzo- deformación ingenieril. Esta superficie es una indicación del trabajo total, por unidad de volumen que puede realizarse sobre el material sin que se produzca rotura
Comparación de las curvas tensión-deformación de dos aceros, con alta tenacidad y baja tenacidad
• Ductilidad:
Mide la cantidad de deformación que puede resistir un material sin romperse.
El % de elongación describe la deformación plástica permanente antes de la falla.
La reducción porcentual del área describe la cantidad de adelgazamiento que sufre la muestra durante el ensayo
100%
100%
0
0
0
0
xAAA
áreaenreducción
xLLL
elongaciónde
f
f
Comportamiento dúctil y frágil
El comportamiento de los materiales bajo carga se puede clasificar como dúctil o frágil según que el material muestre o no capacidad para sufrir deformación plástica.
a) acero dúctil b) un acero frágil.
(a)Fractura muy dúctil en la cual la probeta se estricciona hasta llegar a un punto
(b) Fractura moderadamente dúctil después de cierta estricción. (c) Fractura frágil sin ninguna deformación plástica.
En la Fig. se observa el comportamiento de tres materiales. El material (1) es muy resistente, ya que la tensión máxima que alcanza es grande, pero sin embargo no admite nada de deformación plástica, ya que rompe en la zona elástica. Es por lo tanto un material poco tenaz (Triángulo situado entre la recta y el eje horizontal), frágil y resistente
El material (3) tiene una tenacidad similar al (1) pero una resistencia mecánica muy pequeña. Presenta sin embargo una gran deformación plástica por lo que es un material dúctil, poco tenaz y poco resistente
El material tenaz por excelencia es el (2), que además de tener una resistencia mecánica elevada, similar a la de (1), presenta un gran alargamiento, similar a (3), es decir, es un material dúctil, resistente y tenaz.
Curvas típicas a tracción de diferentes materiales
En la Fig. se representan en forma esquemática las respuestas a tracción de materiales distintos:
La curva (1) es representativa de los materiales frágiles, tales como cerámicos,aceros templados, etc. Estos materiales llegan a la rotura sin haber sufrido ningúntipo de deformación plástica.La curva (2) es propia de los materiales elastoplásticos como son aceros yaleaciones metálicas en general. Presentan una zona elástica y otra plástica y sontenaces.La curva (3) es similar a la (2), con la salvedad de que al finalizar la zona elásticaaparece una zona con cadencia, donde la curva oscila. Esto es propio de ciertosmateriales, corno los aceros con muy bajo contenido en carbono y se explica en lapregunta siguiente.
El comportamiento (4) es de materiales elastoplásticos que presentan hiperplasticidad, esto es, una vez superada la zona elástica, el material es capaz de sufrir grandes deformaciones plásticas sin prácticamente aumentar la tensión, lo que permite hacer hilos con ellos. Esto es propio de ciertas aleaciones de aluminio, y de muchos materiales metálicos o poliméricos en caliente.
Los comportamientos (5) y (6) son propios de los polímeros, y se estudiaran en su día, pueden tener componente viscosa.
Propiedades típicas promedio de algunos materiales metálicos
Material F (Mpa) M (Mpa) E (Gpa)
Acero inoxidables 280 – 700 400 – 1000 190 – 210
Acero alta resistencia 340 - 1000 550 – 1200 190 – 210
Bronce comercial 82 – 690 200 – 830 36 – 44
Latón laminado 70 – 550 200 – 620 36 – 41
Aluminio 2014-T6 410 480 28
Cobre 55 - 760 230 - 830 40 – 47
Ensayo de Compresión
Un ensayo de compresión se realiza de forma similar a un ensayo de tracción, excepto que la fuerza es compresiva y la probeta se contrae a lo largo de la dirección de la fuerza.
Esfuerzo ingenieril
Deformación ingenieril
0AF
0ll
A0: área sección transversal original
Io: distancia original entre marcas
de calibración
I: cambio de longitud después de haber aplicado el esfuerzo
Por convención, una fuerza de compresión se considera negativa y, por tanto, produce un esfuerzo negativo.
Los ensayos de compresión se utilizan cuando se desea conocer el comportamiento del material bajo grandes deformaciones permanentes (deformación plástica), tal como ocurren en los procesos de conformación, o bien cuando tiene un comportamiento frágil a tracción
Las conclusiones sobresalientes de estas pruebas las podemos resumir en la siguiente forma:
• Los materiales dúctiles presentan los mismos valores en sus características tanto en tensión como en compresión.
• Los materiales frágiles no presentan punto de fluencia en ningún caso y el esfuerzo de ruptura coincide con el esfuerzo máximo.
• Los materiales frágiles presentan una resistencia máxima mucho mas elevada en compresión que en tensión. Por ejemplo, en el caso de la fundición gris, esta relación es aproximadamente 4:1.
Ensayo de dureza
La dureza implica, en general, una resistencia a la deformación permanente.
Puede significar:
Resistencia a la penetración (mecánica del ensayo de materiales)
Resistencia y tratamiento térmico (ingeniero de diseño)
Según la forma del ensayo:
Dureza al rayado
Dureza a la penetración
Dureza al rebote o dinámica
Dureza por indentación es la resistencia de un material a ser indentado o penetrado.
Es el tipo usual de ensayo de dureza, en el cual se presiona, directamente o por un sistema de palanca, un indentador cónico o redondo sobre la superficie bajo una carga conocida substancialmente estática.
La dureza se expresa, para una carga y marcador especificados, por un número inversamente proporcional a la profundidad de la indentación o proporcional a una carga media sobre el área de huella.
Resistencia a la Indentación
• Ensayo de dureza Rockwell
• Ensayo de dureza Brinell
• Ensayo de dureza Vickers
Dureza Brinell
El ensayo consiste en comprimir sobre la superficie del metal, una bola de
acero de 10 mm de diámetro con una carga de 3000 kg.
- En los materiales blandos, se reduce la carga a 500 kg.
- En metales muy duros se emplea una bola de carburo de wolframio
La carga se aplica por un periodo de tiempo normalizado, generalmente de
30 seg, luego se mide la huella con un microscopio.
F : carga aplicada en kg
D : diámetro del penetrador en mm
Di : diámetro de la impresión en mm
Dureza Brinell: (kg/mm2)
Esquema del ensayo de dureza Brinell
Resistencia a la tensión = 500 BHN.
Dureza Vickers
Se emplea como identador una pirámide de diamante de base cuadrada, las caras opuestas de la pirámide forman un ángulo de 136º (corresponde a la relación óptima de diámetro de huella a diámetro de bola en el ensayo Brinell)
Se define como la relación de la carga al área de la superficie de la huella.
Sus cargas van de 5 a 125 kilogramos (de cinco en cinco).
Se emplea Vickers para laminas tan delgadas como 0.006 pulgadas
22 LP1,854
L/2)(senP2VickersDureza
P: carga aplicada en kg
L: media de la longitud de las dos diagonales en mm
: ángulo formado por las caras opuestas de la pirámide diamante = 136º
Dureza Rockwell
El ensayo utiliza la profundidad de la penetración bajo carga constante, como medida de la dureza.
La maquina de ensayo mide en forma automática la profundidad de penetración del indentador, y la convierte en un número de dureza Rockwell (HR)
El ensayo es aplicable a todo tipo de materiales metálicos:
a) Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar al del ensayo Brinell.
b) Duros. Se utiliza como penetrador un cono de diamante de 120° de ángulo de vértice redondeado en la punta. Se usan cargas normalizadas de 60, 100 y 150 kilogramos
c) Pequeños espesores en materiales blandos o duros. Es el caso de flejes, chapas delgadas o también sobre capas endurecidas, cementadas o nitruradas. En este supuesto se usa la modalidad de pequeñas cargas especificadas en la norma, 3 kilogramos de precarga y 15, 30 o 45 kilogramos de carga. Se conoce este tipo de ensayos como Rockwell superficial.
ESCALA CARGA (kg) PENETRADOR MATERIALES TIPICOS PROBADOS
A 60 Cono de diamante Materiales duros en extremo, carburos de wolframio, etc.
B 100 Bola de 1/16"Materiales de dureza media, aceros al carbono bajos y medios, latón, bronce, etc.
C 150 Cono de diamante Aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y revenidas.
D 100 Cono de diamante Acero superficialmente cementado.
E 100 Bola de 1/8" Hierro fundido, aleaciones de aluminio y magnesio.
F 60 Bola de 1/16" Bronce y cobre recocidos.G 150 Bola de 1/16" Cobre al berilio, bronce fosforoso, etc.H 60 Bola de 1/8" Placa de aluminio.K 150 Bola de 1/8" Hierro fundido, aleaciones de aluminio.
L 60 Bola de 1/4" Plásticos y metales suaves, como el plomo.
Ensayos Rockwell normalizados.
Ensayo de impacto ((Norma ASTM E-23)Norma ASTM E-23)
Cuando un material se somete a un golpe repentino y violento, donde la velocidad de deformación es extremadamente rápida, se puede comportar en una forma mucho más frágil que la que se observa en el ensayo de tensión.
Se utiliza el ensayo de impacto para evaluar la fragilidad de un material.
• Ensayo de Charpy: metales, aleaciones, cerámicas
• Ensayo de Izod: plásticos
El ensayo de impacto (a) ensayo de Charpy e Izod
(b) dimensiones de muestras normales
Durante el ensayo, un péndulo pesado (45 kg) que inicia su movimiento a una altura h0, describe un
arco, golpea y rompe la probeta, y llega a una altura final hf menor.
Si se conocen las alturas inicial y final del péndulo, se puede calcular la diferencia de la energía potencial.
Esta diferencia es la energía de impacto que absorbió la muestra cuando falló
• La probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de la fisura.
• Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse.
Fotografías de probetas, antes y después del ensayo
• Ensayo de Charpy: joule (J), lb pie
• Ensayo de Izod: J/m, lb pie/pulg
1 lb pie = 1,356 J
Los valores obtenidos en este ensayo pueden diferir fuertemente si se realiza a diferentes temperaturas
La capacidad de un material para resistir el impacto de un golpe se llama tenacidad al impacto
Propiedades que se obtienen en el ensayo de impacto:
Temperatura de transición de dúctil a frágil: es aquella a la cual un material cambia de un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil.
Un material sujeto a cargas de impacto durante las condiciones de servicio deberá tener una temperatura de transición por debajo de la temperatura de operación determinada por el ambiente que rodea al material.
Ensayos de impacto para un polímero termoplástico de nylon supertenaz
No todos los materiales tienen una temperatura de transición definida
La estructura cristalina FCC normalmente absorbe mayor energía, sin mostrar temperatura de transición
Influencia del contenido de carbono sobre el comportamiento dúctil-frágil de un acero de baja aleación:
Relación con el diagrama esfuerzo-deformación:
La energía necesaria para romper un material durante un ensayo de impacto, es decir, la tenacidad al impacto, no siempre se relaciona con la tenacidad a la tensión (es decir, el área contenida dentro del diagrama esfuerzo-deformación real)
En general, los metales que tienen alta resistencia y gran ductilidad, tienen buena tenacidad a la tensión, sin embargo, pueden presentar comportamiento frágil cuando están sujetos a velocidades de deformación alta, es decir, pueden mostrar pobre tenacidad al impacto, ya que la velocidad de deformación puede desplazar la transición de dúctil a frágil.
Los cerámicos y muchos materiales compuestos tienen normalmente tenacidad muy baja, aunque alta resistencia.
Ensayo de Tenacidad
Liberty Ships:
2700 fabricados
400 fisurados
20 se partieron en dos Titanic
Ejemplo: Se obtuvieron los siguientes datos de tensión-deformación de un acero o,2% C
Esfuerzo (ksi)
Deformación Esfuerzo(ksi)
Deformación
030556068727475
00,0010,0020,0050,010,020,040,06
76757369655651
0,080,100,120,140,160,180,19 (fractura)
a) Dibuje la curva tensión-deformación
b) Determine la resistencia de cedencia con el criterio del 0,2% de
deformación convencional
c) Determine la resistencia a la tracción del acero
d) El módulo de elasticidad
e) Módulo de resistencia
Ejemplos
1. Se aplica una fuerza de 850 lb a un alambre de níquel de 0,15 pulg de
diámetro, que tiene una resistencia de cedencia de 45.000 psi y una
resistencia a la tensión de 55.000 psi. Determine:
a) Si el alambre se deformará plásticamente
b) Si el alambre tendrá formación de cuello
2. Una probeta de acero al carbono 1030 de 0,50 pulg. de diámetro se
ensaya hasta la fractura . El diámetro de la probeta en la zona de la
fractura fue de 0,343 pulg. Calcule el porcentaje de estricción de la
muestra.
3. Un cable de acero tiene 1,25 pulg de diámetro y 50 pies de longitud, y con él se levanta una carga de 20 toneladas. ¿Cuál es la longitud del cable durante el izamiento? El módulo de elasticidad del acero es 30 x 106 psi.
4. Cuando se aplica una carga de 3.000 kg a una esfera de 10 mm de diámetro en un ensayo Brinell de un acero, se produce una penetración de 3,1 mm de diámetro. Estime la resistencia del acero a la tensión.
5. Se efectúo una serie de ensayos de impacto Charpy sobre cuatro aceros, con distinto contenido de magnesio, cuyos resultados se muestran en tabla 1. Grafique los datos y determine:
a) La temperatura de transición (determinada como la media de las energías absorbidas en las regiones dúctil y frágil)
b) La temperatura de transición (definida como la temperatura que proporcionan 50 J de energía absorbida)
c) Grafique la temperatura de transición en función del contenido de magnesio y analice el efecto de este elemento sobre la tenacidad del acero. ¿Cuál sería el contenido de magnesio mínimo posible en el acero si una pieza fabricada con él debe utilizarse a 0 ºC?
Tabla 1: Resultados de ensayo de Charpy