Post on 21-Jul-2018
1
5. Propiedades Mecánicasde los Materiales
(Metales)(Metales)
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
Propiedades de los Materiales
• Físicas
• Químicas
• Térmicas
• Eléctricas
• Magnéticas
• Mecánicas
• Acústicas
• Opticas
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
• Otras (estéticas, económicas, etc.)
Selección basada en sus condiciones de uso
2
Efecto de las cargas
• Bajo la acción de las cargas los materiales se deforman (cambian de tamaño y/o de forma)
0AF
L0
FF
A0
Tensión (tecnológica)
Deformación
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
L
FF
0
0
0 L)LL(
LL
Comportamientos bajo cargade materiales ideales
Elástico Lineal: La tensión es proporcional a la deformación
proporcional a la deformación.
Elástico es sinónimo de reversible
La deformación se recupera totalmente al retirar la carga (no quedan deformaciones
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
retirar la carga (no quedan deformaciones remanentes)
EE
3
Comportamientos bajo cargade materiales ideales
Elástico No Lineal: La proporcionalidad entre tensiones yproporcionalidad entre tensiones y deformaciones depende del estado de tensiones. La deformación se recupera totalmente al retirar la carga (no quedan deformaciones remanentes)
E =f() E =f()
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
E f() E f()
Comportamientos bajo cargade materiales ideales
Perfectamente plástico: Cuando la tensión alcanza un valor crítico el
f
tensión alcanza un valor crítico f, el material fluye. La deformación no se recupera al retirar la carga (queda una deformación permanente)
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
4
Comportamientos bajo cargade materiales ideales
e
Materiales Elastoplásticos: La tensión es proporcional a la d f ió h t i t l
P
fdeformación hasta un cierto valor crítico f. Luego el material fluye a tensión constante. Al retirar la carga, parte de la deformación se recupera elásticamente y parte queda como deformación plástica remanente
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
P e remanente.
Caract. mecánicas mediante ensayos
El bj t bt lt d é i
En general, las propiedades mecánicas de los materiales son determinadas experimentalmente mediante distintos ensayos.
•El objeto es obtener resultados numéricos experimentales que describan estas propiedades mecánicas.•De distinta naturaleza: de tracción, de compresión, de flexión, de dureza, triaxiales o específicos.•En algunos casos, desarrollados semi empíricamente.
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
5
El ensayo de tracción
F
Mordaza superiorCabezal móvil
Probeta
L0
FCEIA-UNR C-3.20.1 MaterialesMordaza inferior
Extensómetro
•Ensayo de amplia difusión•Aplicable a distintos tipos de materiales•Normalizado
Ensayo TracciónLeonardo Da Vinci
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo Da Vinci”, Milán
6
El ensayo de tracción
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
El ensayo de tracción
B
F (103 N) Corresponde a laResistencia a la tracción
Fmax
AC
Corresponde alLímite elástico
Corresponde a la
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
L (mm)O
De O a A: deformación elásticaDe A a B: deformación plásticaDe B a C: EstricciónEn C: Rotura de la probeta
Corresponde a laRotura de la probeta
7
Resultados experimentales
(MPa)
Roo o oA
B
Ru
o
o
A
C
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
(%)
AgAgt
AAt
Resultados experimentales
•El módulo elástico E se obtiene como la pendiente de la recta a
(MPa)a
Rp0,2o
•El límite convencional de fluencia Rp se define como la tensión para la cual la deformación permanente remanente es apreciable
•Convencionalmente se la
E
o
o o
Rh
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
•Convencionalmente se la define como una deformación permanente remanente igual al 0,2 % (%)
O
0,2%
8
Límite de fluencia sup e inf.
Límite de fluencia superior
Límite de fluencia inferior
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
• Máxima tensión de tracción
• Metales: ocurre una notable estricción
Resistencia a la tracción
(MPa)
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
(%)
9
Etapa de estricción
%100)LoLu(A
L0
Lu
Alargamiento porcentual de
rotura
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
%100Lo
)LoLu(A O A B B C
A0AB Au
%100Ao
AoAuZ
Estricción
Materiales Dúctiles y Frágiles
• Fractura : la separación en partes de un elemento material sometido a la acción de un esfuerzo aplicado.
• Fractura frágil: pequeñas e incluso nulas deformaciones plásticas previamente a la fractura
• Fráctura dúctil: grandes deformaciones plásticas
Frágil
Dúctil
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
deformaciones plásticas previamente a la fractura
10
Ductilidad y fragilidad
• En general, el Alargamiento porcentual en rotura A y la Estricción Z son comparables (del mismo orden).
• La razón: el deslizamiento de los cristales no cambia el volumen (deformación a volumen constante)
• Los límites entre fragilidad y ductilidad se establecen convencionalmente:
A > 5 % Dúctil
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
A > 5 % Dúctil
A < 5 % Frágil
Efecto de “copa y cono”
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
11
Tenacidad
Capacidad de un material de absorber energía durante la deformación. El área bajo la curva representa el trabajo total W por unidad de volumen que puede realizarse sobre el material sin que se produzca la rotura.
W2 > W1
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
W1
W2
Diagrama real -
Corregida respecto a la sección i á A l d d
Si la tensión se calcula respecto al área instantánea de la probeta y la deformación local, se obtiene una curva diferente.
Basada en la ió i i i l A l
instantánea A y la verdadera deformación local
Real
Ingenieril óTecnológica
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
sección inicial A0 y la longitud inicial Lo
12
Diagramas
(MPa)
Bronce
Cobre
Acero Recocido
Acero laminadoen frío
Fundición
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
Cobre
(%)
Fundición de hierro
Influencia de la temperatura
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
13
Endurecimiento por deformaciónLos materiales metálicos adquieren “acritud” por deformación en frío. 1 superior al límite elástico e 1.
Luego de volver a cargar, nuevo límite elástico e2 2Si se repite, incremento del límite elástico y resistencia a la tracción, disminución de l d tilid d (f á il)
e
1e2
2
la ductilidad (frágil).
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
1 2
Deformación Elástica
1. Inicialsin carga
2. Carga pequeña3. Descarga
Enlaces se estiran Vuelven aPosición inicial
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
Elástico = Recuperable o Reversible
Lineal
No Lineal
14
Deformación Elástica
F (N)Módulo de elasticidad bajo
Módulo de elasticidad alto
Fuertemente
a (nm)
enlazado
Débilmenteenlazado
d
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
0adadFE
a0 = separación de equilibrio
Deformación Plástica en Metales
1. Inicialsin carga
2. Carga pequeña 3. Descarga
EnlacesLos planospermanecenEnlaces
se estiran ylos planosse cortan
permanecencortados
elástica+plásticaplástica
FCEIA-UNR C-3.20.1 MaterialesPlástico = No Recuperable ó Irreversible
EásticoLineal
15
Deformación Plástica Permanente
Elástica + Plástica
Inicialmenteelástica
Elástica + Plásticaa tensiones grandes
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
P
Plástica permanenteal retirar la tensión
Deformación Plástica
Si el mecanismo de deformación fuera por rotura de enlaces, los esfuerzos que son necesarios resultan muy grandes respecto a los observados
La deformación plástica es debida al movimiento de un gran número de dislocaciones.
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
La parte superior desliza de a un plano por vez. Sólo una pequeña fracción de enlaces se rompen. La propagación de la dislocación a través del plano hace que la parte superior se mueva (deslice) respecto a la parte inferior.
16
Simil Deformación Plástica
La deformación plástica se ha considerado similar al movimiento de una oruga donde el cuerpo avanza progresivamente.
No todas las patas se mueven simultáneamente.
La dislocación avanza progresivamente
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
progresivamente.
TIPOS DE ACEROSNormas IRAM IAS U500 - CIRSOC 201
FCEIA-UNR C-3.20.1 MaterialesE = 210000 MPa
17
TIPOS DE ACEROSNormas IRAM IAS U500 - CIRSOC 201
FCEIA-UNR C-3.20.1 MaterialesE = 210000 MPa
TIPOS DE ACEROSNormas IRAM IAS U500 - CIRSOC 201
FCEIA-UNR C-3.20.1 MaterialesE = 210000 MPa
18
TIPOS DE ACEROSNormas IRAM IAS U500 - CIRSOC 201
FCEIA-UNR C-3.20.1 MaterialesE = 210000 MPa
TIPOS DE ACEROSNormas IRAM IAS U500 - CIRSOC 201
FCEIA-UNR C-3.20.1 MaterialesE = 210000 MPa
19
Dureza de los materiales• No se corresponde con una propiedad física definida.
• La dureza depende del tipo y magnitud de las fuerzas de enlace y aumenta en forma semejante a la resistencia.
• Polímeros : relativamente blandos (baja dureza)Polímeros : relativamente blandos (baja dureza)
• Sólidos iónicos y metálicos: más duros que los polímeros
• Sólidos covalentes: materiales más duros conocidos
• Relación íntima entre la resistencia a la deformación permanente de los metales y su dureza.
• Existe además una relación entre dureza y resistencia a la tracción: determinación aproximada de esta propiedad.
El té i d bi L d t d d l ti
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
• El término dureza es ambiguo. Los datos de dureza relativos a un tipo de ensayo.
Dureza: mayor o menor resistencia que un cuerpo opone a ser Dureza: mayor o menor resistencia que un cuerpo opone a ser rayado o penetrado por otro. (dureza comparativa)rayado o penetrado por otro. (dureza comparativa)
Dureza Mohs• Escala de rayado de Mohs usada para dureza de minerales:
1 Talco
2 Y2 Yeso
3 Calcita
4 Fluorita
5 Apatita
6 Feldespato
7 Cuarzo
8 Topacio
Durezacreciente
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
9 Corindón
10 Diamante
20
Dureza por penetración• Se determina un número que no es absoluto y depende del
ensayo (características del penetrador y carga aplicada).
Dureza Brinell: bolilla de acero incrustada con una carga estática y medición de la impronta con una lupa micrométricas Tiempo de carga prestablecido
P
d
DP
de la impronta con una lupa micrométricas. Tiempo de carga prestablecido. Dureza Brinell expresada en número HB.Tamaño de la bola adaptada al tamaño de grano, espesor de la probeta y dureza del material..
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
Dureza Brinell (HB)
2222
P2
Dd11
2
D
P
dDD2D
PAP
HB
22 dDDD
P2HB
Diámetro de la bola: 10 mmCarga (P): 30000NDuración de la carga: 10 a 15s
En estas condiciones 200HB por ejemplo
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
•Si por alguna razón no pueden aplicarse las condiciones estándar es posible aplicar cargas menores y utilizar diámetros menores. Se exige el criterio de semejanza: P/D2 = constante•En este caso se agregan otros parámetros, por ejemplo, 63 HB 10/500/30•(Bola de 10 mm, P igual a 5000N y 30 segundos de carga)•El diámetro de la impronta d debe ser 25 a 60% de D (d=0,375D)
21
Durómetro
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
Correlación Dureza Brinell - Rt
800
1000
n (
MP
a)
200
400
600
800
ste
nc
ia a
la t
rac
ció
n
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
0
0 100 200 300 400
Dureza Brinell
Re
sis
Para aceros:Rt (psi) = 500 HB
1psi = 7kPa
22
Correlación Dureza Brinell - Rt
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
Dureza Rockwell: Similar a la anterior pero el penetrador tiene forma cónica y extremo esférico.
Dureza Rockwell
eP inicial + P ensayo
• Se mide la profundidad de penetración.
• Puntas de acero duro o incluso diamantes según la escalas A a L
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
g
• Para la escala B: Se utiliza un penetrador esférico de acero templado y de una superficie finamente pulida. El diámetro de la esfera será de 1,588 mm ± 0,0035 mm
• Para la escala C: Se utiliza un penetrador de forma cónica y con punta de diamante, el ángulo en el vértice del cono será de 120º y la terminación del cono será de forma casquete esférico, con un radio de 0,2 mm ± 0,002 mm.
23
Dureza Rockwell
Escala Penetrador Aplicación Pi PeB Bola de acero de 1,588 mm 35 a 100 HRB 100N 1000N C CónicoDiamante de 120º 20 a 71 HRC 100N 1500NC CónicoDiamante de 120 20 a 71 HRC 100N 1500N
La aplicación la carga inicial (Pi) tiene por finalidad:
Eliminar la influencia de rugosidad de la superficie de la pieza.
Determinar el punto de partida de la medición de la penetración.
Establecer la ubicación correcta del dial de lectura de la dureza
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
Se aplicará una carga de ensayo (Pe). El aumento de la carga hasta su valor
límite deberá ser lento, entre 3 y 6 seg, aplicada en forma uniforme y libre de
vibraciones. La aplicación de esta carga tiene por finalidad determinar la dureza
de la pieza con la carga total. La carga se mantiene por 15 segundos
Dureza Rockwell
• Dureza Rockwell: basada en la profundidad diferencial (de Pi a Pe); la lectura del dial corresponde a la cifra de dureza Rockwell del tipo de ensayo Rockwell realizado.p y
• Cada indicación en el dial o valor de incremento de profundidad del penetrador representa una unidad de dureza.
• El resultado del ensayo se expresará en cifras de dureza Rockwell seguidas de la escala utilizada para éste (ej: HRB o HRC). Por ejemplo, 66,2 HRB.
• Escala A: Materiales muy duros (carburos cerámicos)
• Escala L: Plásticos y metales blandos como el Plomo
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
Escala L: Plásticos y metales blandos como el Plomo
• Escala B: Materiales de dureza media, aceros al carbono bajos y medios, latón, bronce, etc.
• Escala C: Aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y revenidas.
24
Dureza Rockwell
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
Resistencia al impacto
• Un material sometido a deformaciones aplicadas de forma extremadamente rápidas puede comportarse muy diferente que en un ensayo de tracción convencional mostrándose mucho más frágilmostrándose mucho más frágil.
• Importancia en cargas de impacto y en particular a bajas temperaturas.
• Se usan ensayos de impacto. Los más divulgados son el Charpy y el Izod.
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
25
Ensayo Charpy
•Pendulo de características normalizadas•Probeta con entalladura•Parámetros primarios:
•Velocidad de impacto•Energía cinética al alcanzar la probeta
v = (2 g h0)½ = [2 g l (1-cos )]½Ec = g M h0 = g M l (1-cos )
Energía absorbida en el
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
•Energía absorbida en el impacto:
Ea = g M l (cos ' - cos )
Ensayo Charpy
El resultado de la prueba Charpy (Resiliencia) se expresa como la relación
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
El resultado de la prueba Charpy (Resiliencia) se expresa como la relación entre la energía absorbida por unidad de superficie fracturada Sf como:
r = Ea/Sf = g M l (cos ' - cos )/a.b en Joule/mm2
26
Charpy e Izod
Charpy
Izod
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
Influencia de la velocidad de impacto
La influencia acusada de la velocidad de aplicación de la carga sobre la resiliencia de un material obliga a fijar la velocidad de impacto para que los resultados obtenidos en distintos materiales sean comparables. Las Normas de ensayo fijan entornos de velocidad.
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
27
Péndulo de Charpy
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
Temperatura de Transición Dúctil-Frágil
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
28
Influencia del contenido de C en aceros
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales
Y la seguridad????
FCEIA-UNR C-3.20.1 Materiales