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Fundamentos de la Tecnología de Materiales 1

TEMA 1

Capítulo 3

PROPIEDADES

MECÁNICAS DE LOS MATERIALES


Podemos clasificar los materiales en base a sus

aplicaciones. Según este criterio, podemos dividirlos en dos

grandes grupos:

- Materiales estructurales

- y Materiales funcionales.

Los primeros son aquellos que van a estar caracterizados por sus propiedades mecánicas y cuando prestan servicio están

sometidos fundamentalmente a fuerzas o cargas.

Es por tanto por lo que el estudio de su comportamiento mecánico resulta de vital importancia ya que será el que nos refleje la

relación existente entre la fuerza que se le aplique y la respuesta que el material presenta frente a esa solicitación.


4.1 MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO DE LOS METALES

A los ingenieros metalúrgicos y de materiales se les solicita en numerosas

ocasiones el diseño de aleaciones con alta resistencia pero también con cierta

ductilidad y tenacidad.

La capacidad de un metal o aleación para deformarse

plásticamente depende de la capacidad de las dislocaciones

para moverse.

La resistencia mecánica se puede aumentar reduciendo la movilidad de

las dislocaciones; es decir, mayores fuerzas serán necesarias para

comenzar la deformación plástica.


En definitiva, todas las técnicas de endurecimiento de las

aleaciones se basan en un principio muy simple:

- La restricción e impedimento del movimiento de las

dislocaciones convierte al material en más duro y

resistente.


Mecanismos de endurecimiento:

Endurecimiento por solución sólida de metales

Endurecimiento por reducción del tamaño de

grano

Endurecimiento por deformación

Endurecimiento por precipitación


4.1.1 Endurecimiento por solución sólida de metales

La estructura de una solución sólida puede ser de dos tipos: por sustitución o de inserción. Se crean campos de tensión alrededor

de cada átomo de soluto, que interaccionan con las dislocaciones provocando que sus movimientos se hagan más difíciles, con lo

que se consigue que la solución sólida sea más resistente y dura que el metal puro.

Los dos factores más importantes que afectan al endurecimiento

de las disoluciones sólidas:

El factor de tamaño relativo, o lo que es lo mismo, las diferencias entre el tamaño de los átomos

del soluto y el disolvente, ya que cuanto mayor sea esa diferencia mayor será la distorsión producida en la red cristalina.

El orden a corto alcance, es decir, es muy raro que una solución sólida se forme al azar al

mezclarse diferentes átomos, eso significa que algún tipo de orden de corto alcance o agrupación de átomos semejantes

estará presente.

Un ejemplo de endurecimiento por solución sólida lo constituyen los latones, resultado de la aleación de Cu con Zn,

de tal manera que mientras que la resistencia del cobre puro a tracción es del orden de 250 MPa, la resistencia a tracción de la

aleación 70%Cu y 30% Zn (latón de cartuchería) es del orden de 430MPa.


4.1.2 Endurecimiento por reducción del tamaño de grano

El tamaño de grano de un metal policristalino afecta

considerablemente a las propiedades mecánicas del mismo.

Durante la deformación plástica del metal, las dislocaciones que se mueven a lo largo de un plano de cada grano

tiene su propio conjunto de dislocaciones en sus propios planos

de deslizamiento

preferidos, que a su vez

tienen diferentes

orientaciones de las de los

granos colindantes.

Figura 4.1. Esquema de los planos de deslizamiento contenidos en los granos de un metal

Planos de deslizamiento


Un material con grano fino será mas duro y resistente que uno de

grano grueso, ya que el primero tiene un mayor número de bordes

de grano para un mismo volumen que el segundo. También en

muchos materiales el límite elástico y varía con el tamaño de

grano según la siguiente relación:

y = 0 + ky d-1/2

Ecuación de Hall-Petch


4.1.3 Endurecimiento por deformación

En una estructura de grano equiaxial, sometida a un

proceso de deformación plástica, los granos sufren cizallamiento relativo unos respecto de otros

mediante la generación, movimiento y redistribución de las dislocaciones.

Esto significa que la densidad de las dislocaciones aumentará cuanto

mayor sea el grado de deformación plástica al que sometamos al

material.

La densidad de la dislocación aumenta con la deformación, se hace cada vez más difícil el

movimiento de las dislocaciones a través del “bosque de dislocaciones” y, por tanto, el trabajo

sobre el metal que se endurece a medida que aumenta la deformación en frío. El cobre, aluminio o el hierro- son trabajados en

frío, se endurecen por deformación, o lo que es lo mismo endurecen

por acritud, uno de los métodos más importantes de

endurecimiento para los metales y aleaciones.


4.1.4 Endurecimiento por precipitación

Lógicamente este proceso estará limitado a aquellas composiciones de aleaciones que muestren

curvas de insolubilidad parcial directas con la temperatura, delimitando

una zona monofásica y otra bifásica.

El grado de

endurecimiento es

proporcional al grado de

precipitado coherente

con a matriz.

Figura 4.2. Zona del diagrama de equilibrio Cu-Al que muestra los tres pasos a seguir en el endurecimiento por precipitación de

una aleación.


El endurecimiento por precipitación se produce por el efecto de las

partículas precipitadas que, de forma coherente, deforman los planos

cristalinos de la matriz en el entorno de las mismas.

La coherencia es el concepto que involucra la continuidad de los planos

cristalinos de la matriz de la aleación, aún albergando un núcleo

de la fase precipitada por

sobresaturación.

Figura 4.4. a) Precipitado no coherente (estable)

sin relación con la estructura cristalina de la matriz.

b) Precipitado coherente inestable.

Si se produjera la discontinuidad de los planos cristalinos en el entorno de la partícula

precipitada, incoherencia, el precipitado se comportaría como un subgrano dentro del

monocristal y su actuación tendría el efecto de una inclusión.


4.2RECUPERACIÓN, RECRISTALIZACIÓN Y CRECIMIENTO

DEL GRANO

La deformación plástica de una probeta metálica policristalina a temperaturas bajas

respecto a la de fusión, produce cambios en la microestructura y propiedades de la misma.

Los cambios fundamentales son:

Cambio en la forma del grano

Endurecimiento por

deformación

Aumento de la densidad de

dislocaciones

Figura 4.5. Etapas de la recristalización de un metal


Pero estos cambios y estructuras pueden recuperar sus valores anteriores a la deformación en frío mediante

tratamientos térmicos adecuados que producen unos fenómenos

de recuperación y recristalización después de los cuales puede ocurrir el

crecimiento de grano.

4.2.1 Recuperación

En principio, la recuperación es un fenómeno que ocurre a baja temperatura, y los cambios

producidos en las propiedades del material a consecuencia del mismo no dan un cambio apreciable en la microestructura.

Explicado con mayor detalle, al suprimir la carga que ha producido la deformación plástica en un material policristalino no

desaparece toda la deformación elástica debido a que, al no tener todos los cristales la misma orientación cristalina, no se permite

que alguno de ellos retroceda cuando se suprime la carga. Conforme la temperatura aumenta,

se produce un rápido retroceso de estos átomos desplazados

elásticamente.


Como indicamos con anterioridad, las propiedades mecánicas del material no

experimentan ningún cambio sustancial durante esta etapa, siendo

la principal aplicación de esta etapa de recuperación el alivio de

las tensiones internas que se producen al deformar un metal.

Si que hay que destacar por el contrario, que tras la etapa de recuperación, propiedades físicas como las

conductividades eléctricas y térmicas se recuperan hasta valores parecidos a los

que presentaba el material antes de ser deformado.


4.2.2 Recristalización

Si continuamos aumentando la temperatura, conforme se alcanza la temperatura

superior del intervalo de recuperación, aparecen nuevos cristales en la microestructura los cuales tienen

la misma composición, estructura y forma que los granos originales no deformados y que son aproximadamente uniformes en sus

dimensiones (equiaxiales).

La fuerza motriz para producir esta nueva estructura de granos es

la diferencia entre la energía interna del material deformado y el

no deformado.

Los nuevos granos se forman como núcleos muy pequeños y crecen hasta que

reemplazan completamente al material deformado, proceso en el cual tiene lugar

la difusión de corto alcance. Como acabamos de señalar que los nuevos granos crecen a partir de unos pequeños núcleos, los

procesos de recristalización de los metales deformados en frío pueden emplearse para afinar la

estructura de los granos.


También durante la recristalización las propiedades mecánicas del metal

deformado son restauradas a los valores previos a la deformación, es decir, el

metal se hace más blando, dúctil, tenaz y menos resistente.

Existen factores importantes que afectan al proceso de

recristalización de los metales y aleaciones como son:

La cantidad de deformación previa del metal

La temperatura

El tiempo

El tamaño inicial del grano

La composición del metal o aleación

De esto se deduce que la recristalización de un metal puede producirse en un intervalo de temperaturas dependiente de alguno de

los factores que acabamos de mencionar.


Generalidades acerca del proceso de recristalización:

Es necesaria una mínima deformación del metal

Cuanto más pequeño sea el grado de deformación, más alta la

temperatura necesaria para provocar la recristalización.

Al incrementar la temperatura para la recristalización, disminuye el

tiempo necesario para completarla.

Cuanto mayor sea el grado de deformación, más pequeño el tamaño

del grano recristalizado.

Cuanto mayor sea el tamaño original del grano, mayor será la

deformación requerida para conseguir una temperara de

recristalización equivalente.

La temperatura de recristalización disminuye al aumentar la pureza

del metal.


4.2.3 Crecimiento de grano

Los granos pueden seguir creciendo si el material es mantenido a

temperatura elevada. A este fenómeno se le conoce como crecimiento del grano, que no tiene porqué estar

precedido por la restauración y la recristalización, sino que por el mero hecho de someter un material policristalino a temperaturas

elevadas, su grano tenderá a crecer.

Figura 4.6. Representación esquemática del crecimiento de grano por difusión atómica


Esto se debe a que cuanto más crece el grano, el área total de bordes de grano

disminuye (va disminuyendo el número de granos), produciéndose entonces una disminución de la

energía superficial del sistema, lo que resulta en la fuerza motriz de este fenómeno.

Los granos crecen debido a la migración de los bordes de grano. Como no

todos los granos pueden crecer al mismo tiempo, unos crecen a expensas de otros, aunque el tamaño medio de grano aumenta

con el tiempo y en cualquier instante existirá una gama de tamaños de grano

diferentes.

El movimiento de los bordes de grano, no es más que la difusión a corto

alcance de los átomos de un lado al otro lado del borde. Por tanto, el movimiento de los átomos será el contrario al del

avance del borde de grano como se indica en la figura 4.6.


4.3 TENSIÓN Y DEFORMACIÓN

oA

F

Figura 4.7. Alargamiento de una varilla metálica sometida a una fuerza de tracción F.

F

l

lol

F

Ao

A


Definiremos el esfuerzo o tensión nominal al que está sometida la varilla, como

el cociente entre la fuerza de tracción F y la sección transversal original de la

varilla Ao:

La deformación producida en la varilla anterior debido a la

aplicación sobre ella de la fuerza F será:

ol

o

l

l

l

ll

%deformación = deformación x 100% = %elongación


Un esfuerzo de tensión z produce una deformación axial +z y una contracción lateral de -

x y -y.

Si el material es completamente

isótropo, -x = -y con lo que podemos escribir la

siguiente relación:

es el coeficiente de Poisson,

que toma el valor para materiales ideales de 0,5. Sin

embargo, en la realidad, el coeficiente de Poisson varía

desde 0,25 hasta 0,4 con un valor promedio en torno al 0,3.

Figura 3.7b. Alargamiento axial y contracciones laterales en respuesta a una

tracción aplicada.


Esfuerzo cortante y deformación por esfuerzo cortante

El esfuerzo cortante se relaciona con la fuerza F por la relación:

Deformación por esfuerzo cortante,

, se define como la cantidad de

desplazamiento por cizalla a dividida por

la distancia h sobre la que actúa la cizalla:

Para la cizalla puramente elástica, existe proporcionalidad entre la deformación y

el esfuerzo cortante:

= G

Donde G es el módulo de elasticidad.


4.3.1 El ensayo de tracción

El ensayo de tracción es el más habitual para determinar la resistencia de los metales y

aleaciones. Es un ensayo en el que se pretende romper mediante la aplicación de un

esfuerzo de tracción, una probeta a velocidad constante en un periodo relativamente

corto de tiempo.

Figura 4.8. Esquema de un ensayo de tracción.


La fuerza (carga) sobre la muestra que está siendo analizada se registra al igual que la

deformación medida mediante un extensómetro. De tal modo que al final del ensayo

tendremos un gráfico tensión-deformación como el que se muestra en la figura 4.9.

Figura 4.9. Curva tensión-deformación de una aleación de aluminio

M

Y

E


Las principales propiedades mecánicas de metales

y aleaciones que son de importancia en ingeniería

para diseño estructural y que pueden obtenerse del

ensayo de tracción son las siguientes:

a) Módulo de elasticidad

b) Límite elástico convencional a 0,2% de desplazamiento

c) Resistencia a tracción

d) Alargamiento hasta rotura

e) Estricción en la rotura


a) Módulo de elasticidad

Durante la primera parte del ensayo de tracción, la deformación que experimenta el

metal es de naturaleza elástica, es decir, si retiramos la carga a la que está sometida la

probeta, esta volverá a su longitud inicial. Para los metales, la máxima deformación

elástica es normalmente inferior al 0,5%. En general, los metales y aleaciones

muestran una relación lineal entre el esfuerzo aplicado y la deformación en

la región elástica que está descrita por la ley de Hooke:

(tensión) = E . (deformación)

O bien:

E =

Donde E es el módulo de elasticidad o módulo de Young. El módulo de elasticidad,

por tanto, estará relacionado con la fuerza de enlace entre los átomos de un metal o

aleación. Los metales con un alto módulo de elasticidad serán rígidos y no se


deformarán fácilmente, mientras que cuanto menor sea el módulo de elasticidad de un

material, mayor facilidad presentará este para ser deformado.


Límite elástico

Es un valor de gran importancia para el diseño estructural con materiales metálicos ya

que es la fuerza a la que un metal o aleación muestra una deformación plástica

significativa, o dicho de otra manera, el valor de la tensión que puede

soportar un material a partir del cual va a comenzar a

deformarse plásticamente.

Pero como en la mayoría de materiales no existe un punto bien definido de donde

termina el material de deformarse elásticamente y donde comienza la deformación

plástica, el límite elástico se toma como aquella tensión para la que se produce una

cantidad determinada de deformación plástica, normalmente el 0,2 %.


Los límites elásticos están comprendidos entre 35 MPa para un aluminio de baja

resistencia, hasta valores superiores a los 1500 MPa en aceros de alta resistencia.


b) Resistencia a tracción

Conforme aumenta la carga aplicada sobre la probeta que estamos ensayando, el

esfuerzo y la deformación se incrementan como lo indica el tramo de la curva YM para

un material dúctil, hasta alcanzar un valor máximo de esfuerzo en el punto M de la

curva. La resistencia a tracción, por tanto, se define

como la carga máxima que es capaz de soportar el

material sin romperse, referida a la sección original

de la pieza.


c) Resistencia última a rotura

Cuando sometemos a un material dúctil al ensayo de tracción, hasta que llegamos al

punto de esfuerzo máximo M, la deformación que experimenta la pieza o probeta

es uniforme a lo largo de toda ella. Pero a partir de ese punto máximo, la muestra

experimenta una deformación localizada y la carga decrece conforme la sección

disminuye. Esta deformación que presenta la forma de un cuello, no es uniforme y

ocurre rápidamente hasta el punto en que el material falla. La resistencia a rotura

considerando la sección original de la pieza antes del ensayo siempre será menor que

la resistencia a tracción. En el caso de materiales frágiles sin capacidad de

deformarse plásticamente, la resistencia a tracción y la resistencia a rotura

coinciden prácticamente.


Ductilidad

La ductilidad es una medida del grado de deformación plástica que puede

soportar un material hasta su rotura. Del ensayo de tracción esta propiedad la

podremos determinar a partir de dos mediciones:

- Alargamiento: Se determina juntando, después de haber roto el material, las dos

partes de la pieza y midiendo la distancia entre dos marcas puestas en la pieza antes

de efectuar el ensayo. El alargamiento lo calcularemos de la siguiente forma: Al l

l

f 0

0

,

donde lf es la longitud final entre las marcas y l0 la inicial.

- Estricción: Se denomina a la disminución de sección que aparece localizada

donde se produce la rotura. Se determina a partir de las mitades rotas de la pieza,

midiendo el área transversal mínima Sr. La expresión que da la estricción , para una

probeta de sección inicial S0 es la siguiente: S S

Sr0

0

.


4.3.2 Curvas reales de tracción

Hasta este momento hemos hablado del ensayo de tracción convencional y

siempre hemos estado relacionando cuando hablamos de resistencia, valores

de cargas divididos siempre por la sección original de la probeta que vamos a

ensayar. Esto no es exacto ya que, como hemos visto, la sección de la

probeta durante un ensayo de tracción no permanece constante sino que

va disminuyendo conforme aumentamos el esfuerzo sobre la misma. A

este tipo de curvas, que son las que realmente tienen una utilidad

práctica se denominan Curvas tensión deformación ingenieriles.


Pero también es interesante, y en ocasiones necesario, determinar en cada

momento la tensión real a la que está sometida la probeta, en relación a la

sección que verdaderamente presenta en cada momento. Y esa es la

dificultad que tenemos, el saber cual es la sección que verdaderamente

presenta la probeta en un momento determinado del ensayo.

Para realizar ese cálculo, en una primera aproximación, podemos suponer

que el volumen del metal se conserva durante la deformación plástica. De

este modo podemos escribir:

S0 . l0 = S . l


La tensión real r vendrá definida por la relación:

0

0

000

..

.

l

ll

S

F

lS

lF

S

Fr

Ahora bien, hemos visto antes que la tensión referida a la sección inicial tenía por valor FS0

y el

alargamiento referido a la longitud inicial, el siguiente valor: ll0

de donde resulta que la tensión

real se expresa por la ecuación:

r .( )1

Cuando en un momento determinado del ensayo la probeta posea la longitud l, la deformación real

correspondiente a ese alargamiento será:

0

0log0

0l

ll

l

dlll

l

r

De donde:

r = log (1 + )

Por lo que a través de esta expresión puede pasarse de la curva ingenieril a la real.


Figura 4.10. Representación esquemática de la diferencia existente entre las curvas tensión-deformación ingenieril y real.

Curva ingenieril

Curva real


4.4DUREZA

La dureza es una medida del material a ser deformado plásticamente.

Normalmente, esta propiedad se mide forzando con un penetrador su

superficie, el cual generalmente está fabricado de un material mucho más duro que el material a ensayar y puede tener

forma de esfera, pirámide o cono.

Debido a las características de este ensayo, se puede determinar experimentalmente una

relación entre dureza y resistencia para un determinado material, por lo que

el ensayo de dureza se utiliza con gran frecuencia en la industria para control de

calidad ya que puede no ser destructivo y es más simple que el de tracción.


En la figura 4.11 se recogen los tipos de penetradores y huellas asociados a los cuatro ensayos más

comunes de dureza: Rockwell, Brinell, Vickers y Knoop.

Figura 4.11. Diferentes ensayos de dureza.


4.5FLUENCIA

La fluencia o creep es el fenómeno de aumento constante de la

deformación en el tiempo, que se produce en todos los materiales,

sometidos a una carga, cuando la temperatura es lo suficientemente

elevada.


En la figura 4.12 se representa la forma típica de una curva de fluencia, es decir, la variación de la

deformación con el tiempo, que experimenta una probeta sometida a una carga y temperatura constantes. En ella se

pueden distinguir las cuatro zonas clásicas:

i) Deformación prácticamente instantánea OA, que será solamente

elástica si no se ha rebasado el límite elástico del material.

ii) Una primera etapa AB en que la velocidad de deformación disminuye

con el tiempo.

iii) Una segunda etapa en que la velocidad de fluencia se hace mínima y

permanece constante.

iv) Una tercera etapa en que la velocidad de fluencia aumenta

rápidamente, hasta que finalmente se produce la rotura


Figura 4.12. Curva típica de fluencia de un metal o aleación.


En general es difícil determinar la temperatura que corresponde a una velocidad de fluencia nula, sin embargo puede

afirmarse que para temperaturas superiores a la mitad de la de fusión

todos los materiales metálicos presentan velocidades de fluencia

importantes.

Las características tecnológicas más importantes que pueden determinarse a través de los ensayos de fluencia son, la

deformación en un tiempo dado y el tiempo al cabo del cual se produce

la rotura.

En ambos casos interviene un nuevo parámetro, el tiempo, que normalmente no se tiene en cuenta en

estructuras destinadas a trabajar a temperatura ambiente y que aquí es de una

importancia decisiva.

En algunos casos, cuando no es preciso limitar la deformación, la carga de rotura en tiempo dado

fija los esfuerzos admisibles en la pieza.

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