UNIDAD 3

Propiedades Mecánicas

Material de Ingeniería Porción de materia que se procesa para que adquiera una forma a la que se le da un uso particular para desarrollar una actividad específica.

Síntesis / Procesamiento Relación Estructura-Propiedades-Procesamiento-Desempeño Síntesis / Procesamiento CIENCIA & INGENIERIA DE MATERIALES Desempeño en servicio Propiedades Estructura / Composición

PROPIEDADES MECÁNICAS Y COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES

PROPIEDADES MECÁNICAS Los materiales se seleccionan para diversos componentes y aplicaciones adecuando las propiedades del material a las condiciones de trabajo requeridas por el componente.

PROPIEDADES MECÁNICAS El primer paso en el proceso de selección requiere que se analice la aplicación para determinar las características mas importantes que debe poseer el material ¿Debe ser el material resistente, rígido o dúctil? ¿Estará sometido a la aplicación de una gran fuerza o a una fuerza subita intensa, a un gran esfuerzo , a elevada temperatura o condiciones de abrasión?

PROPIEDADES MECÁNICAS Existen diversos ensayos que se utilizan para medir el comportamiento de un material al aplicarse una fuerza o carga. Los resultados de estas pruebas, y su tratamiento, se transforman en las propiedades mecánicas del material.

PROPIEDADES MECÁNICAS Una vez determinadas las propiedades requeridas se selecciona el material apropiado usando datos que se encuentran en los manuales. Pero hay que saber que significan y darse cuenta que resultan de pruebas ideales que pueden no aplicarse con exactitud a casos reales de la ingeniería.

Dureza Dureza (Metalúrgica) es la oposición que tiene un material a ser deformado plásticamente (o ser penetrado) por otro, es decir dejar una huella permanente en la superficie del material

El Rayado

Ensayo de dureza Brinell (HBN) En este ensayo se utiliza un penetrador con una bola de acero endurecida que tiene bajo condiciones estándar un diámetro de 10 mm. La carga total y el tiempo de carga aplicado cambian dependiendo de la aleación. Para aleaciones ferrosas (aceros y hierros colados) la carga es de 3000 Kg y el tiempo de aplicación de carga es de 10 s. Para no ferrosos (base aluminio, base cobre, etc.) la carga es de 500 Kg por un tiempo de 30 s. Esquema del ensayo de dureza Brinell (HBN)

El diámetro de la huella (d), marca, impresión o identación dejada por el penetrador es medida mediante un microscopio graduado, normalmente incluida en los equipos comerciales. El cálculo de la dureza puede ser automático o puede calcularse a partir de la expresión: Donde P es la carga aplicada en Kg fuerza, D es el diámetro del identador y d es el diámetro de la huella.

Criterios para la selección (cálculo) de cargas en la Dureza Brinell. Para materiales Ferrosos Para materiales No Ferrosos “duros” Para materiales No Ferrosos “blandos” Donde P es la carga en Kg, y D es el diámetro del penetrador en mm

Ensayo de dureza Rockwell (HR) La determinación de este ensayo se basa en la diferencia de profundidad de la huella provocada en el material al aplicar la carga establecida. Esquema del ensayo de dureza Rockwell C

150 Kg 10 Kg 10 Kg Este ensayo tiene muchas variantes, las dos más importantes son la Rockwell C aplicada a aceros endurecidos y la Rockwell B aplicada a aceros suaves y aleaciones no ferrosas. La escala Rockwell C se caracteriza por utilizar un penetrador de punta de diamante con ángulos de 120° entre caras con una carga total de 150 Kg, el valor de la dureza es automáticamente indicada en una carátula dial o digital disponible en el equipo. La magnitud útil de ésta escala tiene valores desde 5 hasta valores máximos de 70 para aceros

En el ensayo de dureza Rockwell B se utiliza un penetrador con bola de acero endurecido de 1/16 plg de diámetro, con una carga de 100 Kg, la escala va de valores de 0 hasta 100 Accesorios para durómetros

Durómetro Electrónico Digital Rockwell

Ensayo Vickers HV Se considera como prueba de microdureza debido a que las cargas aplicadas son en general pequeñas y por tanto producen huellas muy pequeñas en el material, las cuales son observadas y medidas mediante un microscopio de mayor resolución que el de la escala Brinell. La escala Vickers es muy utilizada, las cargas comprenden desde unos pocos gramos hasta varios cientos de gramos, el identador o penetrador es una punta de diamante con ángulos entre caras de 136°.

Penetrador y huella para la escala Vickers

Escalas de dureza para metales y sus aleaciones

ENSAYO DE TENSION

OBJETIVO Realizar una gráfica Esfuerzo – Deformación (σ – ε) a partir de datos de cargas y alargamientos obtenidos de una probeta normalizada sometida a un esfuerzo normal de tensión. Esfuerzo-Deformación ingenieriles De ésta gráfica se determinan algunas propiedades mecánicas de los materiales

Gráfica Esfuerzo - Deformación

Especimén ASTM para Ensayo de Tension El ensayo de tensión o de tracción mide la resistencia de un material a la aplicación gradual de una fuerza tensora , la siguiente figura muestra una probeta típica de 0.5 pulgadas de diámetro y una longitud de calibración de 2 pulgadas. Especimén ASTM para Ensayo de Tension Ao=0.20 in2 lo Esta probeta se fija en la máquina de ensayo y se le aplica una fuerza F, llamada carga o peso. Un deformímetro o extensómetro se usa para medir el alargamiento de la probeta entre las marcas de calibración cuando se aplica la fuerza

Probetas planas para el ensayo de tensión

Ensayo de Tension Máquina Universal de pruebas Extensometro Mide Dl Celda de carga Mide F Cabezal Extensometro Mide Dl Especimén Máquina Universal de pruebas

Sistema Moderno de Ensayo de Materiales Mordazas Hidraúlicas tipo Cuña Especimen Extensometro

Ejemplos de Esfuerzos Normales Esfuerzo Ingenieril Carga, F Carga, F Δl / 2 Δl / 2 Δl / 2 Δl / 2 Δl / 2 Δl / 2 F Deformación Ingenieril F Tensión Compresión

Datos Iniciales Obtenidos Elongación Total Deformación Uniforme Estricción empieza Fractura X Carga, F (kN) Carga Máxima, Fmax Fractura Deformación Elastica Carga, Ff Elongación, Dl (mm)

Los resultados de un ensayo de tensión se muestran en la siguiente tabla y en la siguiente figura, relacionando carga contra longitud. Al presentar los resultados del ensayo en esta forma, se describe solamente el comportamiento de un material que tiene ese diámetro en particular. La fuerza necesaria para producir un cierto grado de deformación es mayor si el diámetro de la muestra es mayor F Carga (lb) l Longitud Calibrada (plg) 2.000 1000 2.001 3000 2.003 5000 2.005 7000 2.007 7500 2.030 7900 2.080 8000 2.120 8000 (máx) 2.160 7600 (ruptura) 2.205 Datos de carga-longitud calibrada resultantes de una prueba de tensión en una barra de aleación de aluminio de 0.505 plg de diámetro

Deformación, (plg/plg) Ejemplo: F Carga (lb) l Longitud Calibrada (plg)  Esfuerzo (psi)  Deformación, (plg/plg) 2.000 1000 2.001 5 000 0.0005 3000 2.003 15 000 0.0015 5000 2.005 25 000 0.0025 7000 2.007 35 000 0.0035 7500 2.030 37 500 0.0150 7900 2.080 39 500 0.0400 8000 2.120 40 000 0.0600 8000 (máx) 2.160 0.0800 7600 (ruptura) 2.205 38 000 0.1025 Datos de carga-longitud calibrada resultantes de una prueba de tensión en una barra de aleación de aluminio de 0.505 plg de diámetro y conversión de los datos a esfuerzo y deformación

F = P = Fuerza o carga. Newtons, Kgf, lbf, etc A través del tratamiento de los resultados obtenidos, la gráfica anterior (Carga–Elongación) se transforma en la gráfica Esfuerzo-Deformación, por medio de las siguientes ecuaciones: F = P = Fuerza o carga. Newtons, Kgf, lbf, etc l-lo = Dl Alargamiento o desplazamiento. metros, centímetros, pulgadas, etc.

Propiedades mecánicas obtenidas del ensayo de tensión

Curva Esfuerzo-Deformación Ingenieriles Elongación fl Esfuerzo de Fluencia Convencional al 0.2% Sy 0.2% offset yield stress Fractura Esfuerzo Ingenieril, s=F/Ao (Ultimate) E Resistencia a la tensión σtr E Esfuerzo de Rotura rot Límite Proporcional Deformación Ingenieril, ε = DL/Lo)

Módulo de Elasticidad - Rígidez

Esfuerzo de fluencia convencional En algunos materiales, el esfuerzo al cual cambian de comportamiento elástico a comportamiento plástico no se detecta con facilidad. En este caso se determina un esfuerzo de fluencia convencional (a partir de la gráfica esfuerzo deformación). Se establece una deformación permanente, tal como 2% o bien 0.002 plg/plg, como la permisible sin alterar el comportamiento del componente. Se traza una recta paralela a la porción inicial de la curva esfuerzo-deformación, desplazada 0.002 plg/plg respecto del origen . El esfuerzo de fluencia para la deformación permanente de 0.2% es aquél donde la recta de desplazamiento (offset) corta a la curva esfuerzo-deformación.

Ductilidad - %El y %RA lo lf Elongación, El Reducción de Área, RA Af Ao lf Af Reducción de Área, RA

Unidades y factores de conversión de unidades para el esfuerzo 1 psi = libra fuerza por pulgada cuadrada (lbf/plg2) 1 MPa = megapascal 1 MN/m2 = 1 MPa = meganewton por metro cuadrado = newton por milímetro cuadrado = megapascal 1 GPa = 1000 MPa = gigapascal 1 Ksi = 1000 psi = kilolibra fuerza por pulgada cuadrada (kip/plg2) 1 Ksi = 6.893 MPa 1 psi = 0.006895 MPa 1 MPa = 0.145 ksi = 145 psi

Deformación Elástica y Plastica (e,s) Esfuerzo Deformación Total El esfuerzo de fluencia convencional al 0.2% es el esfuerzo al cual se obtiene una deformación plástica (permanente) de 0.002. Deformación Plastica Elástica ep ee

El módulo de Young esta estrechamente relacionado con las fuerzas que unen los átomos en el material, es decir los valores del módulo de elasticidad son mayores para los metales de alto punto de fusión. A su vez el modulo de elasticidad se relaciona con la densidad, esta relación es una medida de la rigidez del material. Esta relación se denomina Rígidez específica Un material rígido con un módulo de elasticidad alto, mantiene su tamaño y forma al ser sometido a una carga elástica. Si se diseña un eje y un cojinete o apoyo para el mismo, pueden requerirse tolerancias muy estrechas. Pero si el eje se deforma elásticamente, esas tolerancias pueden ocasionar rozamiento o desgaste excesivos, o bien, el trabamiento entre las piezas

Comparación del comportamiento elástico del acero y del aluminio La figura muestra el comportamiento elástico del hierro y del aluminio. Si se aplica un esfuerzo de 30, 000 psias a un componente, el acero se deforma elásticamente 0.001 plg/plg mientras que con el mismo esfuerzo el aluminio se deforma 0.003 plg/plg. El hierro tiene un módulo de elasticidad tres veces mayor que el del aluminio.

Donde A es el área instantánea sobre la que se aplica la fuerza F Donde A es el área instantánea sobre la que se aplica la fuerza F. La expresión In(Ao/A) debe utilizarse después de iniciada la estricción. La curva esfuerzo - deformación reales se compara con la curva esfuerzo-deformación ingenieriles, el esfuerzo real continúa incrementándose después de la estricción debido a que; aunque la carga requerida disminuye, el área disminuye aún más Donde A0 es el área de la sección transversal de la muestra antes de iniciar la prueba, lo es la distancia original entre marcas de calibración y l es la distancia entre las marcas después de aplicar la fuerza F. La curva esfuerzo - deformación se utiliza normalmente para registrar los resultados de un ensayo de tensión.

Comparación entre la curva Esfuerzo-Deformación reales y la curva Esfuerzo-Deformación Ingenieriles

Efectos térmicos Las propiedades a la tensión se ven afectadas de manera importante por la temperatura. El esfuerzo de fluencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad disminuyen a temperaturas elevadas, en tanto que la ductilidad, como medida del grado de deformación en la fractura, comúnmente se incrementa. A un fabricante que emplea ciertos materiales conviene que se deformen a alta temperatura (lo que se conoce como trabajo en caliente) para aprovechar la mayor ductilidad y el menor esfuerzo requeridos. Efecto de la temperatura (a) en la curva esfuerzo-deformación y (b) en las propiedades a la tensión de una aleación de aluminio

Ensayo de Impacto Para poder seleccionar un material que resista un choque o golpe intenso y repentino, debe medirse su resistencia a la ruptura mediante una prueba de impacto. Se han diseñado muchos procedimientos de ensayo, incluyendo el ensayo Charpy La probeta puede tener muescas, o no; las probetas con muesca en V miden de mejor manera la resistencia del material a la propagación de la fractura. En el ensayo, un péndulo pesado que parte de una altura ho, gira describiendo un arco, golpea y rompe la probeta, alcanzando una elevación menor al final, hf. Conociendo las elevaciones inicial y final del péndulo, se puede calcular la diferencia de energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto absorbida por la probeta durante la ruptura. La energía se expresa generalmente en pielibras (ft-lb), o joules (J). La capacidad de un material para resistir el impacto suele denominarse tenacidad del material. 1 ft-lb = 1.356 J .

Ensayo de impacto. Pendulo de impacto

Probetas de Impacto

Temperatura de transición

a) b) a) Propiedades de dos aceros de bajo carbono (estructura bcc) y un acero inoxidable, fcc, en un ensayo Charpy con pro beta con muesca en V . b) El área delimitada por la curva esfuerzo real-deformación real se relaciona con la energía de impacto. Aunque el material B tiene un menor esfuerzo de fluencia, absorbe mayor energía que el material A.

ENSAYO DE FATIGA En muchas aplicaciones un componente se somete a la aplicación repetida de un esfuerzo inferior al de fluencia del material. Este esfuerzo repetido puede ocurrir como resultado de cargas de rotación, flexión, o aún de vibración. Aunque el esfuerzo sea inferior al punto de fluencia, el metal puede fracturarse después de numerosas aplicaciones del esfuerzo. Este tipo de fallas es conocido como fatiga.

Un método común para medir la resistencia a la fatiga es el ensayo de la viga en voladizo rotatoria. El extremo de una probeta maquinada cilíndrica se monta en un dispositivo acoplado a un motor. En el otro extremo se suspende un peso. La muestra soporta inicialmente una fuerza de tensión que actúa en la superficie superior, mientras que la superficie inferior se comprime. Después de que la muestra gira 90°, los sitios que originalmente estaban en tensión y en compresión no reciben esfuerzo alguno sobre ellos. Después, a una rotación de 180°, el material que estaba originalmente en tensión está ahora en compresión y viceversa. De aquí que el esfuerzo en cualquier punto de la probeta pasa por un ciclo completo que va de cero a máxima tensión, y de cero a máxima compresión.

Después de un número suficiente de ciclos, la muestra puede fallar Después de un número suficiente de ciclos, la muestra puede fallar. Generalmente, se ensayan varias muestras a diferentes esfuerzos aplicados y los esfuerzos se grafican en función del número de ciclos que lleva a la ruptura.

Resultados del ensayo de fatiga Resultados del ensayo de fatiga. Los dos resultados más importantes de una serie de ensayos de fatiga son la duración a la fatiga para un esfuerzo en particular, y el límite de resistencia a la fatiga para el material. La duración a la fatiga indica cuanto dura un componente cuando un esfuerzo s se aplica repetidamente al material. Si se va a diseñar una pieza de acero de herramienta que debe soportar 100,000 ciclos durante su vida útil, entonces debe diseñarse de manera que el esfuerzo aplicado sea menor que 90,000 psias. El límite de resistencia a la fatiga es el esfuerzo por debajo del cual la falla por fatiga nunca ocurre. Para evitar que se rompa una herramienta de acero, se debe asegurar que el esfuerzo aplicado nunca sea mayor que 60,000 psias. Algunos materiales, incluyendo muchas de las aleaciones de aluminio, no tienen un límite de resistencia real. Para estos materiales, la duración a la fatiga es una consideración más crítica; los esfuerzos aplicados deben ser lo suficientemente bajos, de modo que la falla no ocurra durante la vida útil del componente. A menudo se especifica la resistencia a la fatiga, o esfuerzo por debajo del cual no ocurre la falla durante 500 millones de ciclos de repetición del esfuerzo.

El máximo esfuerzo que actúa en la superficie de una barra cilíndrica cuando se aplica una fuerza que la dobla en un extremo es: donde l es la longitud de la barra, W es la carga y d es el diámetro. Se aplica una fuerza de 650 lb a una barra de acero para herramientas que gira a 3000 ciclos/min. La barra tiene un diámetro de 1 plg y una longitud de 12 plg. (a) Determinar el tiempo después del cual la barra falla, y (b) calcular el diámetro de la barra que evitar la falla por fatiga a) De la figura anterior, el número de ciclos para la falla es de 150,000. El tiempo para ello es: (b) El límite de resistencia a la fatiga es 60,000 psi, de la figura anterior. Por lo tanto,

PROPIEDADES MECANICAS 1 PROPIEDADES MECANICAS 1. Resistencia capacidad de soportar una carga externa a el material 2. Dureza propiedad que expresa el grado de deformación permanente que sufre un metal bajo la acción directa de una carga 3. Plasticidad capacidad de deformación permanente de un metal sin que llegue a romperse 4. Elasticidad capacidad de un material de volver a sus dimensiones normales después de haber cesado la carga 5. Tenacidad la resistencia a la rotura por esfuerzos de impactos que deforman el metal. 6. Fragilidad propiedad que expresa la falta de plasticidad y por tanto de tenacidad los materiales frágiles se rompen en el limite elástico 7. Resistencia al impacto es la resistencia de un metal a su rotura por choque y se determina por medio del ensayo de charpy

8. Fluencia propiedades de algunos metales de deformarse lenta y espontáneamente bajo la acción de su propio peso o de cargas muy pequeñas 9. Fatiga esta propiedad se utiliza para medir materiales que van a estar sometidos a acción de cargas periódicas. 10. Maleabilidad es la característica de los metales que permite la obtención de láminas muy delgadas.

PROPIEDADES FISICAS 1. Peso especifico absoluto o relativo, el primero es el peso de la unidad de volumen de un cuerpo homogéneo y el peso específico relativo es la relación entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia tomada como referencia 2. Punto de fusión describe la temperatura en la cual un material o elemento pasa del estado sólido a liquido 3. Dilatación térmica mide cuanto se puede deformar un material con respecto a un diferencial de Temperatura, puede causar contracción o dilatación.

PROPIEDADES QUIMICAS 1. Enlace metálico tienen pocos electrones en su capa más externa y se pierden con gran facilidad. Se forma como resultado de que los átomos de elementos con baja electronegatividad ceden sus electrones de valencia. 2. Enlace covalente es una reacción entre dos átomos no metalicos 3. Enlace iónico es una reacción de 2 átomos de distinta electronegatividad. Existe transferencia de uno o más electrones del átomo menos electronegativo hacia el más electronegativo 4. Enlace de van der walls son fuerzas de estabilización molecular. Forman enlaces químicos no covalentes.

Propiedades tecnológicas. Estas propiedades determinan la capacidad de un metal a ser conformado en piezas o partes útiles o aprovechables. Estas son: 1. Ductibilidad: Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en frío; aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza. Los metales más dúctiles son el oro, plata, cobre, hierro, plomo y aluminio. 2. Conformabilidad propiedad del metal que mide su maleabilidad 3. Fusibilidad: Es la propiedad que permite obtener piezas fundidas o coladas. 4. Colabilidad: Es la capacidad de un metal fundido para producir piezas fundidas completas y sin defectos. Para que un metal sea colable debe poseer gran fluidez para poder llenar completamente el molde. Los metales más fusibles y colables son la fundición de hierro, de bronce, de latón y de aleaciones ligeras. 5. Soldabilidad: es la actitud de un metal para soldarse con otro idéntico bajo presión ejercida sobre ambos en caliente Poseen esta propiedad los aceros de bajo contenido de carbono. 7. Templabilidad. Es la propiedad del metal de sufrir transformaciones en su estructura cristalina como resultado del calentamiento y enfriamiento sucesivo y por ende de sus propiedades mecánicas y tecnológicas. Los aceros se templan fácilmente debido a la formación de una estructura cristalina característica denominada martensita. 8. Maquinibilidad: Es la propiedad de un metal de dejarse mecanizar con arranque de viruta, mediante una herramienta cortante apropiada. Son muy mecanizables la fundición gris y el bronce, con virutas cortadas en forma de escamas. El acero dulce y las aleaciones ligeras de alta tenacidad, producen virutas largas.

Unidades de Esfuerzo dyn/cm2 N/m2 pdl/ft2 lbf/ft2 kPa lbf/in2 kgf/cm2 N/mm2 1 0.100 0.067 2 2.089E-3 1 E-4 1.450E-5 1.020E-6 1 E-7 10 0.672 0 0.020 89 1 E-3 1.450E-4 1.020E-5 1 E-6 14.88 1.488 0.031 08 1.488E-3 2.15 8E-4 1.518E-5 1.488E-6 Ibf/ft2 478.8 47.88 32.17 0.04788 6.944E-3 4.882E-4 4.788E-5 1 E4 1 000 672.0 20.89 0.145 0 0.010 20 Ibf/in2 6.895E4 6 895 4 633 144 6.895 0.070 31 6.895E-3 9.807E5 9.807E4 6.590E4 2 048 98.07 14.22 0.098 07 N/mm 2 1 E7 1 E6 6.720E5 2.089E4 145.0 10.20 1 N/mm2 = 1 MPa 1 N/m2 = 1 Pa