Tema 1. Fundamentos Mecánicos
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TEMA 1
FUNDAMENTOS MECANICOS
Introducción Propiedades físicas y mecánicas Ensayos para determinación de las
Propiedades Mecánicas
INTRODUCCION Para utilizar los materiales efectivamente, los ingenieros
deben ser capaces de predecir como éstos reaccionaran
cuando estén sujetos a uso específico.
No solo debe predecirse su comportamiento en servicio,
también su comportamiento al ser procesados. En la mayoría
de los casos el procesamiento está condicionado por las
propiedades de los materiales.
Los ingenieros de producción requieren del conocimiento de
las propiedades de los materiales y los métodos de
determinación de las mismas.
PROPIEDADES FISICAS
Para distinguir un material de otro empleamos sus propiedades:
Color, densidad, calor específico, coeficiente de expansión térmica,
conductividad térmica, conductividad eléctrica, resistencia y dureza.
Algunas de estas propiedades describen la reacción del material al
uso mecánico y a menudo son llamadas propiedades mecánicas
de los materiales.
Las Propiedades físicas dependen de la estructura y
procesamiento del material y generalmente no se alteran por
fuerzas que actúan sobre el material. Pueden dividirse en :
eléctricas, magnéticas y ópticas
PROPIEDADES MECANICASDescriben la forma en que un material soporta fuerzas aplicadas. Entre ellas:
Tenacidad: Es la propiedad que tienen ciertos materiales de soportar, sin deformarse ni romperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen. Mide la resistencia de un material a la propagación de una fisura.
Elasticidad: Consiste en la capacidad de algunos materiales para recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que había determinado su deformación.
Dureza: Es la resistencia que un material opone a la penetración.
Fragilidad: Un material es frágil cuando se rompe fácilmente por la acción de un choque (poca o ninguna deformación).
Plasticidad: Aptitud de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones permanentes, bajo la acción de una presión o fuerza exterior, sin que se produzca rotura.
Ductilidad: Considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad que poseen ciertos metales para poder estirarse en forma de hilos finos.
Maleabilidad: Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de transformar algunos metales en láminas delgadas.
El por qué? Las miríadas de enlaces químicos y/o Físicos entre átomos y moléculas mantienen unidos a
los sólidos y pueden destruirse de diferentes maneras.
Debido a que los enlaces son siempre los mismos, no importa por que medio se los rompa,
uno podría erróneamente suponer que ahora que los Químicos y Físicos saben mucho acerca
de la naturaleza de los mismos no habría dificultad en relacionar la fractura mecánica con la
disolución, la fusión o el ataque químico.
Decir esto sería suponer que el comportamiento Mecánico de los Materiales podría
considerarse una rama de la Química.
El Comportamiento Mecánico de los Materiales, esta por supuesto, relacionado con los
Enlaces Atómicos pero la relación es tan indirecta que no existe actualmente una teoría que
comunique simple y enteramente a la Química Clásica o la Física Atómica con la Resistencia
Mecánica, la Deformación y Fractura de Materiales que son en esencia los principales
fenómenos asociados al Comportamiento Mecánico de los Materiales.
Debido a ello las Propiedades Mecánicas, factores esenciales del Comportamiento mecánico
deben obtenerse por Ensayos y no mediante ecuaciones basadas en magnitudes asociadas al
Átomo.
ENSAYOS MECANICOSLas anteriores propiedades mecánicas se valoran con exactitud mediante ensayos estandarizados de laboratorio, donde las variables que pueden influenciar la respuesta son controladas. Estos son llamados Ensayos mecánicos:
Ensayo de tracción: Ofrece una idea aproximada de la tenacidad y elasticidad de un material.
Ensayos de dureza: Permiten conocer el grado de dureza del material.
Ensayos al choque: Su práctica permite conocer la fragilidad y tenacidad de un material.
Ensayos tecnológicos: Ponen de manifiesto las características de plasticidad que posee un material para proceder a su forja, doblado, embutido, etc.
Ensayo de Tracción
Una probeta preparada
específicamente, se coloca en
las cabezas de la máquina de
prueba y se somete a una
carga axial por medio de un
sistema de carga de palanca,
mecánico o hidráulico.
Si se conoce el área transversal original de la muestra, puede calcularse el esfuerzo desarrollado a cualquier carga.
La deformación o alargamiento se mide en una longitud establecida, generalmente 2 pulg, por un disco medidor llamado extensómetro.
Cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza externa que tiende a cambiar su
forma o tamaño, el cuerpo se resiste a esa fuerza. La resistencia interna del
cuerpo se conoce como esfuerzo (stress) y los cambios en las dimensiones
del cuerpo que la acompañan se llaman deformaciones o alargamientos
(strain).
La deformación unitaria puede determinarse dividiendo el alargamiento medido entre la longitud original marcada en la probeta.
En algunos casos, puede utilizarse un medidor eléctrico de la deformación para medir la deformación total.
Probetas
Principio del ensayo
Curva esfuerzo-deformación
Deformación elástica Deformación plástica
Cuando se retira la fuerza, los enlaces retornan a su longitud original y la probeta vuelve a su tamaño inicial
Cuando se incrementa el esfuerzo, las dislocaciones empiezan a producirse, ocurre el deslizamiento y el material empieza a deformarse plásticamente.
Tipos de curvas
Materiales dúctiles y materiales frágiles
Los materiales dúctiles exhiben una curva esfuerzo-deformación que llega a su máximo en el punto de resistencia a la tensión.
En materiales más frágiles, la carga máxima o resistencia a la tensión ocurre en el punto de falla.
En materiales extremadamente frágiles, como cerámicos, el esfuerzo de fluencia, la resistencia a la tensión y el esfuerzo de ruptura son iguales
PropiedadesTensiles Límite proporcional (Proportional limit):. Esfuerzo en el límite del punto de
proporcionalidad P (Intervalo donde el esfuerzo y la deformación son proporcionales
entre sí “Ley de Hooke”).
Punto o límite de cedencia o fluencia (Yield point): Esfuerzo al cual el material
continúa deformándose sin que haya incremento de la carga, punto Y de la figura. Este
fenómeno ocurre sólo en ciertos materiales dúctiles. Constituye un valor muy importante
de considerar en el diseño de muchas partes para maquinaria cuya utilidad se afectaría
si ocurriera una gran deformación permanente. Esto es válido sólo para materiales que
exhiban un punto de cedencia bien definido.
Resistencia a la cedencia o fluencia (Yield strenght): La mayoría de los materiales
no ferrosos y los aceros de alta resistencia no tienen un punto de cedencia definido.
Para estos materiales, la máxima resistencia útil corresponde a la resistencia de
cedencia, que es el esfuerzo al cual un material exhibe una desviación limitante
especificada de la proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación (por lo general a
0.10 y 0.20% de la longitud calibrada).
Resistencia límite: o la resistencia a la tensión es el esfuerzo máximo
desarrollado por el material (punto M). Un material frágil se rompe cuando es
llevado hasta la resistencia límite, en tanto que el material dúctil continuará
alargándose.
Resistencia a la ruptura: Para un material dúctil, hasta el punto de
resistencia límite, la deformación es uniforme a lo largo de la longitud de la
barra. Al esfuerzo máximo, la muestra experimenta una deformación
localizada o formación de cuello y la carga diminuye conforme el área
decrece. Esta elongación en forma de cuello es una deformación no uniforme
y ocurre rápidamente hasta el punto en que el material falla. La resistencia a
la ruptura (punto B), es siempre menor que la resistencia límite. Para un
material frágil, la resistencia límite y la resistencia de ruptura coinciden.
Ver detalle
Tipos de fractura
Módulo de la elasticidad o
módulo de Young: El módulo de
elasticidad, indicación de la rigidez
de un material, se mide en GPa
(GN/m2);
Por ejemplo, el módulo de
elasticidad del acero es 207 GPa
aproximadamente, en tanto que el
del aluminio es 69 GPa. Por ende,
el acero es aproximadamente tres
veces más rígido que el aluminio. El
módulo de elasticidad es una
propiedad muy útil de la Ingeniería y
aparecerá en fórmulas relacionadas
con el diseño de vigas y columnas,
en las que la rigidez es importante.
psi= libras por pulgada cuadrada
Ductilidad: La ductilidad de un material se determinará a partir de la cantidad de deformación que le es
posible soportar hasta que se fractura. Ésta se determina en una prueba de tensión mediante dos mediciones:
Alargamiento: Se determina juntando, después de la fractura, las partes de la muestra y midiendo la
distancia entre las marcas puestas en la muestra antes de la prueba,
dondeLf= longitud de la medida final,Lo= longitud de la medida original, generalmente 2 pulg.
Reducción en área: Ésta también se determina a partir de las mitades rotas de la muestra bajo la tensión, midiendo para ello el área transversal mínima y con la fórmula:
dondeAo= área transversal originalAf= área transversal final
Resiliencia: Energía absorbida en el campo elástico. Área bajo la
curva en el intervalo elástico. Medida de la energía por unidad de
volumen que puede absorber un material sin sufrir deformación
permanente y que, por tanto, libera al retirar la carga (Resiliencia =
módulo de recuperación).
Tenacidad: Energía absorbida en el campo plástico. Capacidad de
un material para absorber energía y deformarse plásticamente
antes de fracturarse. Área bajo la totalidad de la curva esfuerzo-
deformación en el ensayo de tracción. Ésta es principalmente una
propiedad del intervalo plástico, ya que sólo una pequeña parte de
la energía total absorbida es energía elástica que puede
recuperarse cuando se suprime el esfuerzo.
Influencia de 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 realiza trabajado en caliente le conviene utilizar materiales que se deformen a alta temperatura, para aprovechar la mayor ductilidad y el menor esfuerzo requeridos.
Ensayos de dureza La dureza no es una propiedad fundamental de un material, sino que está relacionada
con las propiedades elásticas y plásticas. El valor de dureza obtenido en una prueba
determinada sirve sólo como comparación entre materiales o tratamientos.
El procedimiento de prueba y la preparación de la muestra suelen ser sencillos y los
resultados pueden utilizarse para estimar otras propiedades mecánicas. La prueba de
dureza se utiliza ampliamente para inspección y control.
El tratamiento térmico o el trabajo efectuado en una pieza metálica resulta
generalmente en un cambio de dureza. Cuando se establece el valor resultante de la
dureza de un tratamiento térmico a un material dado por un proceso determinado, esa
estimación proporcionará un método rápido y sencillo (de inspección y control) para el
material y proceso particulares.
Tipos de Dureza
Dureza elástica Resistencia al corte o abrasión Resistencia a la indentación
Dureza Elástica Se mide mediante un escleroscopio, que es un dispositivo
para medir la altura de rebote de un pequeño martillo con emboquillado de diamante, después de que cae por su propio peso desde una altura definida sobre la superficie de la pieza a prueba.
Cuando el martillo es elevado a su posición inicial, tiene cierta cantidad de energía potencial. Cuando es liberada, esta energía se convierte en energía cinética hasta que golpea la superficie de la pieza a prueba. Alguna energía se absorbe al formar la impresión, y el resto regresa al martillo al rebotar éste. La altura de rebote se indica por un número sobre una escala arbitraria tal que cuanto mayor sea el rebote, mayor será el número y la pieza a prueba será más dura.
Esta prueba es realmente una medida de la resistencia del material, o sea, la energía que puede absorber en el intervalo elástico.
Disco autoindicador
Resistencia al corte o abrasión Prueba de rayadura
Esta prueba la ideó Friedrich Mohs. La escala consta de diez minerales estándar arreglados siguiendo un orden de incremento de dureza. El talco es el 1, el yeso el 2, etc., hasta el 9 para el corindón y el 10 para el diamante. Si un material desconocido es rayado apreciablemente por el 6 y no por el 5, el valor de dureza está entre 5 y 6. Esta prueba no se ha utilizado mucho en Metalurgia, pero aún se emplea en Mineralogía. –
Prueba o ensayo de lima.
La pieza a prueba se somete a la acción de corte de una lima de dureza conocida, para determinar si se produce un corte visible. Las pruebas comparativas con una lima dependen del tamaño, forma y dureza de la lima, de la velocidad, presión y ángulo de limado durante la prueba, y de la composición y tratamiento térmico del material a prueba. La prueba generalmente se emplea en la industria como aceptación o rechazo de una pieza.
Resistencia a la indentación. Esta prueba generalmente se utiliza imprimiendo en la muestra (en reposo
sobre una plataforma rígida) un marcador o indentador de geometría determinada, bajo una carga estática conocida que se aplique directamente o por medio de un sistema de palanca.
Dependiendo del sistema de prueba, la dureza se expresa por un número inversamente proporcional a la profundidad de la indentación para una carga y marcador especificados, o proporcionales a una carga media sobre el área de mella.
Los métodos más comunes para pruebas de dureza por indentación son.
Prueba o ensayo de dureza Brinell
Prueba o ensayo de dureza Rockwell.
Prueba o ensayo de dureza Vickers
Prueba o ensayo de microdureza.
Ensayo de dureza Brinell El probador de dureza Brinell generalmente consta de una prensa hidráulica vertical
de operación manual, diseñada para forzar un marcador de bola dentro de la muestra.
Procedimiento estándar bola de 10 mm de diámetro, carga de 3000 kg por 10 seg para metales ferrosos y 500 kg por 30 seg. para metales no ferrosos.
El diámetro de la impresión producida es medido por medio de un microscopio que contiene una escala ocular, generalmente graduada en décimos de milímetro, que permite estimaciones de hasta casi 0.05 mm.
El número de dureza Brinell (HB) se calcula mediante la fórmula:
donde:L = carga de prueba, kgD = diámetro de la bola, mmd = diámetro de la impresión, mm
Ensayo de dureza Vickers Utiliza un marcador piramidal de diamante de base cuadrada con un ángulo incluido
de 136°.
El intervalo de carga está generalmente entre 1 y 120 kg.
Los números se expresan en términos de carga y área de la impresión.
La impresión sobre la superficie de la muestra será un cuadrado. La longitud de la diagonal del cuadrado es medida por medio de un microscopio equipado con un micrómetro ocular que contiene filos móviles. La distancia entre los filos se indica en un contador calibrado en milésimas de milímetros.
El número de dureza piramidal Vickers (HV) se calcula por :
donde:
L = carga aplicada, en kg
d = longitud de la diagonal del cuadrado de la impresión, en mm.
Ensayo de dureza Rockwell. En esta prueba de dureza se utiliza un instrumento de lectura directa basado
en el principio de medición de profundidad diferencial.
La prueba se lleva a cabo al elevar la muestra lentamente contra el marcador
hasta que se ha aplicado una carga determinada menor. Luego se aplica la
carga mayor a través de un sistema de palanca de carga. Después de que la
aguja del disco llega al reposo, el número de dureza Rockwell es leído en el
disco medidor.
Una impresión poco profunda en un material duro dará un número grande en
tanto que una impresión profunda en un material blando dará un número
pequeño.
Pueden utilizarse diversos marcadores de
muescas y cargas y cada combinación
determina una escala Rockwell específica.
Los marcadores de muescas incluyen bolas
de acero duras de 1/16, 1/8, 1/4 y 1/2 de
pulgada de diámetro y un marcador cónico
de diamante de 120°. Generalmente las
cargas mayores son de 60,100 y 150 kg.
Debido a las muchas escalas Rockwell, el
número de dureza debe especificarse
mediante el símbolo HR seguido de la letra
que designa la escala y precedido de los
números de dureza; por ejemplo, 82 HRB
significa una dureza de Rockwell de 82
medida en la escala B (bola de 1/16 de pulg
y 100 kg de carga).
Ensayo de microdureza Desafortunadamente, este término es
engañoso ya que podría referirse a la prueba
de pequeños valores de dureza cuando que
en realidad significa el uso de impresiones
pequeñas. Las cargas de prueba están entre
1 y 1000 g.
Generalmente se emplea la pirámide de
diamante Vickers de base cuadrada de 136°,
descrita anteriormente.
Durante la Segunda Guerra Mundial se puso especial atención a la Fractura Frágil de los
buques fabricados por soldadura, Liberty y de los T-2 Tankers. Algunos de estos buques se
fracturaron completamente en dos. La mayoría de las fracturas tuvieron lugar en invierno, a
veces con mar picado y a veces anclados en el muelle. Estas y otras fallas catastróficas
(recipientes a presión, gasoductos, puentes) pusieron en evidencia que aceros
normalmente dúctiles en el ensayo de tracción se tornan frágiles bajo ciertas condiciones.
Los tres factores que contribuyen al cambio de comportamiento de dúctil a frágil son:
1) Estado Triaxial de Tensiones, 2) Velocidad de aplicación de la Carga elevada, 3) Bajas
Temperaturas
No es necesario que estos tres factores estén presentes al mismo tiempo para producir
comportamiento Frágil.
Se utilizan varios tipos de ensayos de impacto con probeta entallada y a baja Temperatura,
para determinar la tendencia de un material a comportarse de manera frágil. Estos ensayos
detectan diferencias de comportamiento de los materiales que no se observan con el
ensayo de tracción.
Ensayo de impacto
Aunque la tenacidad de un material puede obtenerse calculando el área bajo el diagrama esfuerzo deformación, la prueba de impacto indicará la tenacidad relativa. Por lo general, para las pruebas de impacto se utilizan muestras tipo muesca . Dos tipos de muesca de tipo general se utilizan en pruebas de flexión por impacto: la muesca ojo de cerradura y la muesca en V. Asimismo, se utilizan dos tipos ensayo, Charpy y el Izod
La muestra Charpy se coloca en un tornillo de banco de manera semejante a una viga sencilla soportada en ambos extremos, en tanto que la muestra Izod se coloca en el tornillo de banco de modo que un extremo quede libre y sea por tanto una viga en voladizo
La máquina de impacto ordinaria tiene un péndulo oscilante de peso fijo que es elevado a una altura estándar, dependiendo del tipo de muestra que se pretende probar.
A esa altura, con referencia al tornillo del banco, el péndulo tiene una cantidad definida de energía potencial. Cuando el péndulo se libera, esta energía se convierte en energía cinética hasta que golpea a la muestra.
La muestra Charpy se golpeará atrás de la muesca en V, en tanto que la muestra Izod, colocada con la muestra en V de cara al péndulo, se golpeará arriba de la muesca en V.
En cualquier caso, una parte de la energía del péndulo se utilizará para romper la muestra, provocando que el péndulo se eleve en el lado opuesto de la máquina a una altura menor que aquella con que inició su movimiento desde ese mismo lado de la máquina. El peso del péndulo multiplicado por la diferencia de alturas indicará la energía absorbida por la muestra, o sea la resistencia al impacto de la muestra con muesca.
Influencia de la temperatura
A temperaturas altas, se requiere una gran absorción de energía para que se rompa la probeta, y se fractura con poca energía absorbida, a temperaturas bajas.
A temperaturas elevadas el material se comporta de manera dúctil, con gran deformación y estiramiento de la probeta antes de fracturarse.
A temperaturas bajas, el material es frágil y se observa poca deformación en el punto de fractura.
La temperatura de transición es aquella a la cual el material cambia de presentar una fractura dúctil a una frágil.
Un material que vaya a estar sometido a impacto durante su funcionamiento debe tener una temperatura de transición inferior a la temperatura de operación.