PROPIEDADES MECNICAS DE LOS MATERIALESNT22001-01 MATERIALES MOLECULARES IDr. Miguel Angel Mndez RojasDepartamento de Ciencias Qumico-BiolgicasEscuela de Ingeniera y CienciasUniversidad de las Amricas PueblaPrimavera 2008

Materiales expuestos a fuerzas o cargas pueden fracturarse, deformarse.Hay una relacin entre microestructura y propiedades mecnicas.Pueden conocerse propiedades mecnicas con pruebas adecuadas que simulen las condiciones de trabajo (ASTM)ESTRS/TENSIN. Fuerza de traccin uniaxial que produce una deformacin.Si el material se recupera, la deformacin es elstica (tomos se desplazan de sus posiciones iniciales a otras, pero vuelven a sus posiciones originales)Una deformacin permanente es una deformacin plstica (tomos se desplazan continuamente; entre ms plstico, el metal se hace mas resistente a fractura)

Estrs de ingeniera (o traccin) (s). Fuerza uniaxial aplicada por rea transversal [s]= N/m2 = PaDeformacin convencional () o tensin de traccin o de ingeniera. Relacin entre el cambio de longitud de una muestra en la direccin de aplicacin de la fuerza y la longitud original. [] = m/mCoeficiente de Poisson (n). Deformacin longitudinal elstica genera un cambio simultneo de las dimensiones laterales. Idealmente n = 0.5 (real: 0.25-0.4)Tensin de desplazamiento (t) y deformacin de desplazamiento (g). g = a/h. Para un desplazamiento elstico, t = Gg (G = mdulo de rigidez)ah

Ensayo de traccin. Evala la resistencia de materiales, estirando a velocidad constante hasta fractura.Propiedades mecnicas:Mdulo de elasticidad (Young)Lmite clsico convencional de 0.2%Resistencia a la traccinPorcentaje de alargamiento a la fracturaPorcentaje de estriccin a la fracturaMdulo de Young (elasticidad) (E). Fuerza de enlace entre tomos del metal o aleacin (para deformacin elstica)

Lmite elstico. Nivel de tensin al que un material muestra una deformacin plstica significativa.Resistencia a la traccin. Mxima tensin que se alcanza en la zona tensin-deformacin (a mayor ductilidad, mayor estriccin y menor tensin). Aporta informacin sobre defectos (porosidad e inclusiones).Porcentaje de alargamiento. Da idea de la ductilidad (mayor ductilidad, mayor capacidad de deformacin)Porcentaje de estriccin (ductilidad). Disminuye con defectos.

Dureza. Medida de la resistencia de un metal a la deformacin permanente (plstica). Se forza una indentacin de un penetrador en la superficie del material (bola, pirmide o cono). Durmetros de Rockwell (), Brinell, Vickers, Knoop.Se mide en base a la facilidad de deformacin plstica. Es una prueba no destructiva, usada en control de calidad (hay una relacin experimental entre dureza y resistencia).

Deformacin plstica. Se forman marcas escalonadas (bandas de deslizamiento), por desplazamiento de tomos sobre planos cristalogrficos (planos de deslizamiento).Deformacin por mecanismo de deslizamiento. Se requiere una alta densidad de imperfecciones (dislocaciones) (~106 cm/cm3).Sistema de deslizamiento. Combinacin de un plano de deslizamiento y una direccin de deslizamiento. Caractersticos de cada estructura.FCC 12 sistemas de deslizamientoBCC 12 sistemas de deslizamientoHCP limitado nmero (restrige ductilidad)El deslizamiento inicia cuando tensin de desplazamiento que acta en un plano de deslizamiento y una direccin de deslizamiento, alcanza un valor determinado (tensin de desplazamiento crtica, tc)

Maclado. Una parte de la red atmica se deforma de modo que genera una imagen especular de la red no deformada cercana (plano de maclado). Tiene lugar en una direccin especfica (direccin de maclado). Es un proceso importante en HCP, por su limitado nmero de sistemas de deslizamiento.Deformacin plstica de metales policristalinos. Los lmites de grano aumentan la resistencia de los materiales al actuar como barreras de movimiento de dislocacin. A temperatura ambiente, materiales de grano fino mas resistentes, slidos y duros y susceptibles a endurecimiento por tensin; tambin se hacen menos resistentes a corrosin y termofluencia (deformacin bajo carga constante a temperaturas altas).Durante deformacin plstica de materiales, las dislocaciones que se mueven a lo largo de un plano de desplazamiento no siguen una trayectora lineal de un grano a otro, por ello, cada grano tiene su propio conjunto de dislocaciones, con sus propios planos de desplazamiento preferenciales.Algunos granos cambian de forma (desplazamientos y reordenacin; alargamiento en direccin de laminacin).

Tambin pueden reordenarse las dislocaciones en una deformacin plstica.Un material puede endurecerse por deformacin al ser trabajado en fro; aumenta la densidad de dislocaciones por deformacin.Endurecimiento por disolucin slida. Adicin de uno o ms elementos aumenta resistencia (sustitucional o intersticial). Factores: i) tamao relativo; ii) orden a corto alcance.Recuperacin y recristalizacin de metales deformados plsticamente. Durante procesado y fabricacin, se puede tratar trmicamente un material para ablandarlo y aumentar ductilidad. La estructura pasar por varios cambios (a las temperaturas correctas): i) recuperacin, ii) recristalizacin, iii) crecimiento de granos.El tratamiento trmico para ablandar se denomina recocido (parcial o total, dependiendo del grado de ablandamiento).

Antes del tratamiento trmico la estructura (producto de la deformacin en fro), tiene una energa de deformacin almacenada como dislocaciones y defectos puntuales (1012 dislocaciones/cm2).Recuperacin. Al calentar en un rango de temperatura de recuperacin (antes de recristalizacin) se relajan tensiones internas y se suministra energa trmica para permitir el reordenamiento de dislocaciones. Se genera una estructura de subgranos (lmites de grano de ngulo pequeo) denominada poligonizacin (cambio estructural que precede a la recristalizacin). La energa interna disminuye por prdida de dislocaciones y la resistencia se reduce, aumentando la ductilidad.Recristalizacin. Arriba de la temperatura de recuperacin, se nuclean granos libres de deformacin e inicia su crecimiento. La estructura es eventualmente reemplazada por una estructura de granos recristalizados.

Recristalizacin ocurre va dos mecanismos: i) un ncleo aislado se expande con un grano formado; ii) un lmite de grano en ngulo grande emigra hacia una regin fuertemente deformada del material.Recristalizacin disminuye la energa interna. Disminuye la resistencia a traccin y aumenta la ductilidad. Recristalizacin es afectada por: i) cantidad de deformacin previa del metal; b) temperatura; c) tiempo; d) tamao de grano inicial; e) composicin del material. Normalmente requiere un intervalo de temperaturas (annealing).Generalizaciones: i) se requiere una mnima cantidad de deformacin para lograr la recristalizacin; ii) a menor grado de deformacin, mayor temperatura de recristalizacin; iii) a mayor temperatura de recristalizacin, menor tiempo para completarla; iv) tamao de grano depende del grado de deformacin, a mayor grado de deformacin, menor temperatura de recocido y menor el tamao de grano recristalizado; v) a mayor tamao de grano inicial, mayor cantidad de deformaciones para producir una recristalizacin; vi) la temperatura de recristalizacin aumenta al aumentar la pureza del metal.

Superplasticidad. Capacidad de algunos materiales (Al/Ti) para deformarse hasta el 2000% a temperaturas elevadas y velocidades de carga bajas. A temperaturas normales no son superplsticos.Condiciones: i) tamao de grano fino (5-10 mm) y muy sensible a la velocidad de deformacin; ii) temperatura de carga alta mayor al 50% de la temperatura de fusin; iii) velocidad de deformacin baja y regulada dentro del intervalo 0.01-0.0001 s-1.No muchos materiales pueden ser superplsticos.Metales nanocristalinos. Al reducir el tamao de grano se producen materiales mas duros, slidos y resistentes; tambin el tamao afecta la capacidad de sufrir deformacin plstica superplasticidad. Se han hecho muchos estudios de la relacin del tamao de grano y mejora de propiedades, pero se carecen de mtodos efectivos para controlar el crecimiento y el tamao.Cermicas y plsticos tienen propiedades mecnicas variables. Cermicas son frgiles y no presentan deformacin plstica. Polmeros son muy elsticos.

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