Apunte 02 Propiedades Mecanicas, Fisicas y Quimicas

7/29/2019 Apunte 02 Propiedades Mecanicas, Fisicas y Quimicas

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UNIVERSIDAD DEL BIO BIOFACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE MECANICA

Apuntes 2 : Propiedades Mecnicas, Fsicas y QumicasProfesor : Federico Grossmann.Asignatura : Ciencia de los Materiales.


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PROPIEDADES MECNICAS, FSICAS Y QUMICAS

1. PROPIEDADES MECNICAS

La capacidad de los materiales de resistir la accin de los esfuerzosexteriores se caracteriza por sus propiedades mecnicas. Por lo tanto, al elegirseel material para la fabricacin de elementos de mquinas, ante todo se debe teneren cuenta sus propiedades mecnicas ( Resistencia, Elasticidad, Ductilidad,Tenacidad, Resiliencia y Resistencia a la Fatiga ). Estas propiedades sedeterminan por los resultados de los ensayos mecnicos, durante los cuales losmateriales son sometidos a la accin de esfuerzos exteriores (cargas). Losesfuerzos exteriores pueden ser estticos, dinmicos o cclicos (repeticinvariable). La carga en un cuerpo slido genera esfuerzos y deformacin.

El Esfuerzo o TensinEs la magnitud de la carga referida a una unidad de superficie de la seccin

transversal de la muestra ensayada ( Kg./cm2 )

La DeformacinEs el cambio de la forma y las dimensiones de un cuerpo slido bajo la

influencia de fuerzas exteriores aplicadas. Se diferencian las deformaciones portraccin o compresin, por flexin, torsin y cizallamiento. En condiciones reales elmaterial puede estar sometido a uno o varios tipos de deformacinsimultneamente.

Para determinar la resistencia, elasticidad, ductilidad y tenacidad, losmateriales se prueban a la traccin esttica en forma de probetas de seccincircular o plana. El ensayo se realiza en mquinas de ensayo de traccin. Comoresultado de los ensayos se obtiene el diagrama de traccin, donde en el eje delas abscisas ( X ) se trazan los valores de la deformacin y por el eje de lasordenadas (Y ) las cargas aplicadas a la probeta.

La ResistenciaEs la capacidad del material a resistir la destruccin bajo la accin de las

cargas. Se evala por el lmite de fluencia y el lmite de rotura. Un ndiceimportante de la resistencia del material es tambin la resistencia especfica, quees la relacin del lmite de resistencia del material a su densidad. El lmite derotura t (resistencia temporal), es la tensin especfica en Pa, N/m

2, Kg/cm2,correspondiente a la carga mxima precedente a la destruccin de la probeta:

0A

Pmx

t=


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donde:Pmx : Carga mxima ( N Kg )A0 : Superficie inicial de la seccin transversal de la superficie de

trabajo de la probeta ( m2 cm2 )

La Resistencia real de la rotura (k) es la tensin determinada por larelacin de la carga Pk en el momento de la rotura a la mnima superficie de laseccin transversal de la probeta de la rotura Ak

=

k

k

kA

PS

El lmite de fluencia t es la tensin mnima ( Mpa Kg/cm2 ), para la culse deforma la probeta sin un aumento notorio de la carga

0A

Ptt =

siendo Pt la carga durante la que se observa el plano de fluencia.

El plano de fluencia lo tiene fundamentalmente slo el acero bajo encarbono ( acero SAE 1010/1020 y los latones. Otras aleaciones no tienen planode fluencia. Para este tipo de materiales se determina el lmite de fluencia(convencional), para el cual el alargamiento residual asciende a 0.2% de lalongitud calculada de la probeta

0

2.0

2.0A

P=

La ElasticidadEs la capacidad del material a recuperar su forma inicial y las dimensiones

al interrumpirse la accin de la carga Pel y se evala por el lmite deproporcionalidad pry el lmite de elasticidad el.

El lmite de proporcionalidad pr es la tensin mxima (Mpa Kg/cm2), queuna vez superada se pierde la proporcionalidad entre la tensin aplicada y la

deformacin de la probeta

0A

Pprpr =


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El lmite de elasticidad (convencional) 0.05 es la tensin convencional enMpa Kg/cm2 , correspondiente a la carga para la cual la deformacin residualasciende por primera vez a 0.05 % de la longitud calculada de la probeta l0

0

05.005.0

A

P=

siendo P0.05 la carga del lmite de elasticidad.

La DuctilidadEs la capacidad del material de adoptar nuevas formas y dimensiones bajo

la accin de esfuerzos exteriores sin destruirse, se caracteriza por el alargamientorelativo y el estrechamiento relativo.

El alargamiento relativo (despus de la rotura) llamado tambin porcentajede alargamiento (%A), es la relacin del incremento ( lf - l0 ) de la longitudcalculada de la probeta despus de la rotura a su longitud calculada inicial l0,expresado en tanto por ciento.

100*%0

0

=

l

llA

f

El estrechamiento relativo (despus de la rotura) A, denominado tambinporcentaje de reduccin de rea, es la relacin de la diferencia de la superficieinicial y final (A0 Af) de la seccin transversal de la probeta despus de la roturaa la superficie inicial A0 de la seccin transversal expresada en tantos por ciento:

100*0

0

=

A

AAAf

Cuanto mayor es el valor del alargamiento y estrechamiento relativo tantoms dctil es el material, en los materiales frgiles estos valores se aproximan acero. La fragilidad de algunos materiales de construccin es una propiedadnegativa.

La Resiliencia

Es la capacidad del material de resistir las cargas dinmicas y se determinacomo la relacin del trabajo que se emplea para la fractura de la probeta W (enMJ) a la superficie de su seccin transversal A (en m2) en el lugar de la entalla

A

WCK =*


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Para los ensayos se elaboran probetas estndar especiales de seccincuadrada con entalla. La muestra se ensaya en mquinas de prueba de resilienciade pndulo. El pndulo de la mquina en cada libre golpea la probeta del ladoopuesto a la entalla. En ste se registra el trabajo.

Es de gran importancia la determinacin de la resiliencia para algunos

materiales que trabajan en condiciones de temperaturas bajas y que reveleninclinaciones a la fragilidad en fro. Cuanto menor es el umbral de fragilidad en fro,es decir, la temperatura para la cual la rotura resiliente pasa a la rotura frgil ymayor el margen de resiliencia del material, tanto mayor es la resiliencia delmaterial. La fragilidad en fro es la reduccin de la resiliencia a bajas temperaturas.

Tenacidad

La Tenacidad de un material es la habilidad que este posee para absorberenerga durante la deformacin plstica (capacidad para soportar esfuerzosocasionales superiores al esfuerzo de fluencia, sin que se produzca la fractura). Latenacidad es un parmetro que involucra la resistencia mecnica y la ductilidad. La

tenacidad es un concepto comnmente utilizado pero difcil de medir y definir. Laforma de concretar el concepto es medir el rea bajo la curva de esfuerzo deformacin o mediante ensayos de impacto. Un material tenaz es aquel quetiene un alto lmite de fluencia y una alta ductilidad.

DurezaEs la capacidad del material de resistir la penetracin en su cuerpo de otro

ms duro. Existe una relacin entre la dureza de un material y la resistencia deste. Deben poseer una elevada dureza las herramientas para trabajar ymecanizar metales: cuchillas, brocas, fresas, como tambin las superficiesendurecidas de las piezas. La dureza del metal se determina con los mtodos

Brinell, Rockwell y Vickers, empleando una mquina de dureza o Durmetro.El mtodo Brinell, consiste en que, en la superficie plana del metal se hace

penetrar con una carga constante una bola de acero templado. El dimetro de labola y el valor de la carga se eligen en dependencia de la dureza y el espesor delmetal que se ensaya. La dureza por el Mtodo BrinellHB BHN, se determinaen el medidor dureza de bola.

La prueba se realiza de la manera siguiente: en la superficie de la muestra,cuya dureza se debe medir con una lima o esmeril, se limpia un plano de 3 a 5cm2. La muestra se coloca en la mesa del durmetro y se levanta sta hasta hacercontacto con la bola de acero que est fijada en el husillo del aparato. Se baja lacarga y se hace penetrar la bola en la muestra que se prueba, en la superficie del

metal se crea una huella, cuanto mayor es la huella, ms blando es el metal.Como medida de dureza HB se adopta la relacin de la carga al rea de la

superficie de la huella de dimetro d y profundidad t, la que se crea al hacerpenetrar con la fuerza P a la bola de dimetro D.

El valor numrico de la dureza se determina de la forma siguiente: Se mideel dimetro de la huella por medio de una lupa con divisiones y por el valorobtenido se halla en la tabla especial estndar el nmero respectivo a la dureza.


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La ventaja del mtodo Brinell reside en la facilidad del ensayo y a laprecisin de los resultados que se obtienen. No se recomienda medir la durezacon el mtodo Brinell de materiales con HB > 450, de acero templado, porejemplo, ya que durante la medicin se deforma la bola y se alteran lasindicaciones.

Para el ensayo de materiales duros se emplea el Mtodo Rockwell. En lamuestra se hace penetrar un cono de diamante con un ngulo de 120 o una bolade acero templado de 1.59 mm de dimetro. La dureza por el mtodo Rockwell semide en unidades convencionales. La magnitud de la unidad de durezacorresponde al desplazamiento axial de la punta en 0.002 mm. El ensayo serealiza en una mquina de dureza o durmetro. El valor de la dureza se determinapor la profundidad de la huella h y se lee en el cuadrante del indicador montado enel equipo. En todos los casos la carga previa P0es igual a 100 (N).

Al ensayarse metales de elevada dureza se emplea el cono de diamante y unacarga total de

)(150010 NPPP =+=

la dureza se lee en la escala C y se designa HRC RC.Si para los ensayos se emplea la bola de acero y una carga total de 1000

(N), entonces la dureza se lee en la escala B y se designa HRB RB.Al ensayarse artculos muy duros o delgados se utiliza el cono de diamante

y una carga total de 600 (N). La dureza se registra por la escala A y se designaHRA RA. Ejemplo de designacin de la dureza por el mtodo Rockwell: HRC50; dureza 50 por escala C.

Al determinarse la dureza por el Mtodo Vickers en calidad de punta quese hace penetrar en el material, se utiliza una pirmide tetradrica de diamantecon un ngulo en la punta de 136. Para los ensayos se emplean cargas de 50 a1000 (N) ( las cargas menores son para determinar la dureza de las piezasdelgadas y capas endurecidas de metal ).

El valor numrico de la dureza se determina por la forma siguiente: semiden las longitudes de ambas diagonales de la huella despus de cesar la cargay con un microscopio y por el valor medio aritmtico obtenido de la longitud de ladiagonal se halla en la tabla el nmero correspondiente a la dureza. Ejemplo dedesignacin de la dureza por el mtodo Vickers: HV 500 500 VHN.

Para la evaluacin de la dureza de metales en pequeos volmenes, por

ejemplo, en los granos de metal o sus componentes estructurales se emplea elmtodo de determinacin de micro dureza. La punta ( identor ) del aparato es unapirmide tetradrica de diamante (con un ngulo en punta de 136, el mismo queen la pirmide para los ensayos con el mtodo Vickers). La carga en el identor noes grande y asciende de 0.05 a 5 N, y la dimensin de la huella de 5 a 30 m. Elensayo se realiza en el microscopio metalogrfico, dotado con un mecanismo decarga. La micro dureza se evala por la dimensin de la diagonal de la huella.


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FatigaSe denomina as al proceso de acumulacin paulatina de deterioros del

material bajo la accin de tensiones de repeticin variable que acarrean grietas yla destruccin. La fatiga del metal est determinada por la concentracin de lastensiones en sus distintos volmenes, en los que hay inclusiones no metlicas,

poros de gas, diversos defectos locales, etc. Es caracterstica la fractura por fatigaque se crea despus de la destruccin de la probeta como resultado de una cargamltiple, consistente de dos partes diferentes por su aspecto. Una parte de lafractura 1 con una superficie uniforme (alisada) creada a consecuencia delrozamiento de las superficies en la zona de las grietas surgidas a causa de lascargas de repeticin variables, la otra parte 2 con una fractura granular surge en elmomento de la destruccin de la probeta. Las pruebas de fatiga se realizan enmquinas especiales. Las ms empleadas son las mquinas para la flexin derepeticin variable de la probeta en rotacin, fijada de uno o ambos extremos,como tambin las mquinas para las pruebas de traccin-compresin y a la torsinde repeticin variable. Como resultado de las pruebas se determina el lmite defatiga, lo que caracteriza la resistencia a la fatiga del material.

El Lmite de fatigaEs la propiedad del material de resistir a la fatiga. El lmite de fatiga es la

tensin mxima que puede resistir el metal en determinados nmeros de ciclos decargas sin destruirse. Entre el lmite de fatiga y la resistencia a la rotura existe unadependencia aproximada:

-1 0.43 t ; -1tr 0.36 t

siendo -1 y -1tr lmites de fatiga a la flexin y traccin-compresin,respectivamente.


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2. PROPIEDADES FSICAS

Se refiere a las propiedades fsicas de los materiales como el color, ladensidad, la temperatura de fusin, la conductividad trmica, la expansin trmica,

la capacidad calorfica, la electro conductividad, las propiedades magnticas yotras.

ColorSe denomina as a la capacidad de los materiales de reflejar la radiacin

luminosa de una determinada longitud de onda. Por ejemplo el cobre tiene uncolor rojo-rosado, el aluminio blanco plateado.

DensidadSe denomina as a la caracterstica del material, que se expresa como la

masa contenida en una unidad de volumen. Por su densidad, los metales yaleaciones se dividen en livianos (menos de 4,5 g/cm3) y pesados. La densidadtiene gran importancia para la elaboracin de distintos elementos mecnicos yartculos. Por ejemplo, en la construccin de aviones y la industria aeroespacial sebusca utilizar metales y aleaciones ms livianos ( aluminio 2.7, magnesio 1.74,titanio 4.51 ), lo que contribuye a la reduccin del peso. Estos materiales estnsiendo reemplazados en algunas aplicaciones por polmeros ( PEAD 0.94 0.97;PP 0.90 0.91; Tefln 2.1 2.3; Nylon66 1.13 1.15 ) y materiales compuestosa base de fibras de vidrio, carbono y aramida ( kevlar ) reforzadas con resinas( con densidades entre 1.2 y 2.0 )

Temperatura de fusinSe denomina as a aquella temperatura que siendo alcanzada por el metal,

ste pasa del estado slido al lquido. Por la temperatura de fusin se diferencianlos metales de alta temperatura de fusin ( Wolframio, W 3416 C; Tantalio, Ta2950 C; Titanio, Ti 1670 C ; Hierro, Fe 1538 C; Cobre, Cu 1083 C y otros) y losde baja temperatura de fusin ( Estao 232C, Plomo 327 C, Zinc 419.5 C,

Aluminio 660 C, Magnesio 651 C). La temperatura de fusin tiene granimportancia al seleccionarse el metal o aleacin para la elaboracin de artculosfundidos, uniones soldadas, aparatos termoelctricos y otros artculos. Enunidades SI la temperatura de fusin se expresa en grados Kelvin ( K).

Conductividad TrmicaSe denomina as a la capacidad de los materiales de transmitir el calor

desde los sectores de mayor temperatura a los de menor temperatura en uncuerpo. La plata, el cobre y el aluminio poseen una alta conductividad trmica. Elhierro tiene una conductividad trmica cerca de tres veces menor que el aluminio ycinco veces menor que la del cobre. La conductividad trmica tiene una granimportancia en la seleccin del material para las piezas. Por ejemplo, si el metalconduce mal el calor, entonces calentndolo y enfrindolo con rapidez(tratamiento trmico, procesos de soldadura) puede provocar la aparicin degrietas. Algunos elementos de mquinas (mbolos de motores, paletas de turbina)


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deben ser fabricados de materiales con una buena conductividad trmica. Enunidades SI la conductividad trmica se expresa en (W/m*K)

Dilatacin o Expansin trmica

Se denomina as a la capacidad de los metales de aumentar susdimensiones al calentarse y disminuirlas al enfriarse. La expansin trmica se

caracteriza por el coeficiente de dilatacin lineal () representado por:

( )[ ]000

ttl

ll

f

f

=

donde l0 y lfson las longitudes del cuerpo a las respectivas temperaturas t0 y tf.

El coeficiente de dilatacin cbica es igual a 3*. Las expansiones trmicasdeben tenerse en cuenta durante los procesos de soldadura, forjado y estampado

volumtrico en caliente de los metales, la elaboracin de moldes de fundicin,matrices, rodillos de laminacin, calibres, la elaboracin de uniones de precisin yel armado de aparatos en la construccin de armaduras de puentes, el tendido derieles ferroviarios. La contraccin trmica debe tenerse presente en los procesosde obtencin de piezas mecnicas por fundicin y soldadura, durante la etapa desolidificacin y enfriamiento de los metales.

Capacidad Calrica

Se denomina as a la capacidad del metal de absorber durante elcalentamiento una determinada cantidad de calor. En unidades SI se expresa en

(J/K). La capacidad calrica de distintos metales se compara por el valor del calorespecfico, que es la cantidad de calor expresada en grandes caloras, que sonnecesarias para elevar la temperatura de 1 Kg. de metal en 1 C .En unidades SI(J / Kg*K)

Electro conductividad y resistencia elctricaSon dos conceptos mutuamente opuestos que describen la capacidad del

metal de conducir corriente elctrica. La conductividad elctrica, se evala en elSI en Siemens (Sm) y la electro conductividad especfica en Sm/m, en formaanloga, la resistencia elctrica se expresa en ohms () y la resistencia elctricaespecfica en /m.

Una buena conductividad elctrica es necesaria, por ejemplo, paraconductores de corriente elctrica (cobre, aluminio). Al fabricarse aparatos decalentamiento elctrico y hornos se emplean aleaciones de una alta resistenciaelctrica ( Nicrom, Constantn y Kanthal). En los metales se tiene que al elevarsela temperatura disminuye su electro conductividad y al reducirse sta aumenta.


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3. PROPIEDADES MAGNTICAS.

Se caracterizan por una permeabilidad magntica absoluta o constantemagntica, es decir, la capacidad de los metales de magnetizarse. En unidades SI

la constante magntica se expresa en H/m. Poseen elevadas propiedadesmagnticas el hierro, nquel, cobalto y sus aleaciones llamadas ferromagnticas.Los materiales con propiedades magnticas se utilizan en aparatos electrotcnicosy para la fabricacin de imanes.

4. PROPIEDADES QUMICAS

Las propiedades qumicas caracterizan la capacidad de los metales y

aleaciones de resistir la oxidacin o entrar en combinacin con diversassustancias: el oxgeno del aire, soluciones de cidos, lcali y otras. Cuando elmetal entra con ms facilidad en combinacin con otros elementos, tanto msrpido se destruye. La destruccin qumica de los metales por la accin sobre susuperficie de un medio exterior agresivo se llama corrosin.

Los metales resistentes a la oxidacin siendo calentados fuertemente sedenominan pirro resistentes u xido resistentes. Estos metales se emplean para lafabricacin de piezas que seexponen en zonas de temperaturas elevadas.

La resistencia de los metales a la corrosin, la formacin de cascarilla y ladisolucin se determina por el cambio del peso de las muestras ensayadas enunidad de superficie por unidad de tiempo.

Las propiedades qumicas de los metales obligatoriamente se toman enconsideracin al fabricarse unos u otros artculos. Ellos se refieren de maneraespecial a los artculos y piezas que trabajan en medios qumicamente agresivos.

2006.09.15

Apunte 02 Propiedades Mecanicas, Fisicas y Quimicas

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