TEMA 5. PROPIEDADES MECÁNICAS de clase_archivos... · El Módulo de Young da cuenta de la rigidez...

CTM – PROPIEDADES MECÁNICAS

TEMA 5. PROPIEDADES MECÁNICAS� Prácticamente todos los materiales, cuando están en servicio, están

sometidos a fuerzas o cargas externas� El comportamiento mecánico del material es la respuesta a esas fuerzas;

su conocimiento es fundamental� Las PROPIEDADES MECÁNICAS son las diferentes formas de analizar

la relación fuerza aplicada-respuesta

5.1 CONCEPTOS TENSIÓN Y DEFORMACIÓN. TIPOS DE ESFUERZO MECÁNICO

5.2 DEFORMACIÓN ELÁSTICA. MÓDULO DE YOUNG

5.3 PROP. ELÁSTICAS DE LOS MATERIALES. COEF. DE POISSON

5.4 DEFORMACIÓN PLÁSTICA. LÍMITE DE ELASTICIDAD

5.5 DUREZA

5.6 FATIGA

5.7 FLUENCIA

ESTRUCTURA DEL TEMA


5.1 CONCEPTOS TENSIÓN-DEFORMACIÓN. TIPOS DE ESFUERZO MECÁNICO (I)

Condiciones de partida:� La fuerza aplicada es estática: no cambia con el tiempo o lo hace muy lentamente� Es aplicada uniformemente sobre una sección o superficie del sólido� En esas condiciones se puede estudiar el comportamiento mecánico mediante

ensayos tensión-deformación

Tipos de esfuerzo mecánico (solicitaciones mecánicas, formas de aplicar la carga):

TRACCIÓN (Tension) – COMPRESIÓN – CIZALLADURA (Shear)

ESFUERZO A TRACCIÓN.- La carga se aplica a tracción a lo largo del eje de la pieza (probeta), que es longitudinal y de sección generalmente circular o rectangular

F

F

l0l

∆l/2

∆l/2

A0

0A

F=σ

00 l

l

l

ll o ∆=

−=ε

TENSIÓN (nominal)(Stress)

DEFORMACIÓN (nominal)(Strain)

Unidades: MPa=106N/m2=N/mm2

(x100 � %)


5.1 TENSIÓN Y DEFORMACIÓN. TIPOS DE ESFUERZO MECÁNICO (II)

ESFUERZO A COMPRESIÓNIdéntico que a tracción, salvo que la carga se aplica a COMPRESIÓNSe considera F < 0

L<l0 ε<0

F

F

ll0

∆l/2

∆l/2

A0

ESFUERZO A CIZALLADURA (cortadura)

F

F

θ

A0

0A

F=τ

θγ tg=

TENSIÓN

DEFORMACIÓN

ESFUERZO A TORSIÓNT

T

φ


5.2 DEFORMACIÓN ELÁSTICA. MÓDULO DE YOUNG

Defomación Elástica: región en la que la tensión es proporcional a la deformación:

Ley de Hooke, E–Módulo de Elasticidad o de Young

� El comportamiento elástico se corresponde con la zona lineal de la gráfica tensión-deformación

� La deformación es elástica es NO PERMANENTE; cuando se retira la carga la pieza vuelve a su longitud inicial, lo

� El Módulo de Young da cuenta de la rigidez del material: a mayor E menor deformación para una tensión dada

� En cizalladura: G-Módulo de cizalladura

εσ E=

γτ G=

F

Alargamiento ∆lF

Esquema ensayo a tracción

Curva típica carga vs desplazamiento

0A

F σ

∆

0l

l ε

E


0.28160407Tungsteno

0.3445107Titanio

0.3083207Acero

0.3176207Níquel

0.291745Magnesio

0.3446110Cobre

0.343797Latón

0.332569Aluminio

νG (GPa)E (GPa)METALES

0.24120Vitrocerámico

0.2069Vidrio comercial

0.19345SiC

0.26393Alúmina

νE (GPa)CERÁMICOS

1.58-3.8NYLON 6,6

2.4-4.1PVC

1.14-1.55PP

0.17-0.28PE (LD)

E (GPa)POLÍMEROSValores del Módulo Elástico, de Cizalladura y del Coeficiente de Poisson para algunos materiales

5.3 PROPIEDADES ELÁSTICAS DE LOS MATERIALES COEFICIENTE DE POISSON - νννν

σz

σz

x

z

y

l0z

2zl∆

l0x

2xl∆

z

zz

l

l

0

2/

2

∆=ε

x

xx

l

l

0

2/

2

∆−=ε

z

y

z

x

ε

ε

εε

υ −=−=

)1(2 υ+= GE

Coef. de POISSON

para materiales isótropos


5.4 DEFORMACIÓN PLÁSTICA. LÍMITE DE ELASTICIDAD (I)

Deformación plástica.- Deformación permanente, no recuperable� LÍMITE ELÁSTICO, σσσσy.- Tensión límite entre comportamiento elástico y plástico

(Yield strength)

� En la práctica interesa que los elementos en servicio SÓLO EXPERIMENTEN DEFORMACIÓN ELÁSTICA

� Tensión de seguridad o de trabajo: σσσσw= σσσσy/N, donde N = factor de seguridad

Curva típica tensión vs deformación a tracciónTensión

σ

Deformación ε

P

Max

Rotura

Elástico Plástico

0.002

σσσσyRT

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN (RT)tensión máxima (M) (tensile strength)

DUCTILIDAD.- Grado de deformación plástica hasta fracturaAlargamiento relativo

TENACIDAD (toughness).- Capacidad de absorber energía antes de la fractura

100%0

0 ×

−=

l

llEL

f

σ

ε

FRÁGIL: sin o poca def. plástica

DÚCTIL y TENAZ

EstricciónF

F


0

50

100

150

200

250

-150 -100 -50 0 50 100

Temperatura (ºC)

Energía absorbida en el

impacto (J) Al

Zn

Acero

Cu

5.4 DEFORMACIÓN PLÁSTICA. LÍMITE DE ELASTICIDAD (III)Tensión y deformación realesReferidas a la sección (Ai) y longitud (li) instantáneas en cada momento:

i

RA

F=σ real Tensión

==⇒= ∫

0

ln

0l

l

l

dl

l

dld

il

l

RR εε real nDeformació

Relación σ-ε reales y nominales: ( ) ( )εσσεε +=⇒=+= 11ln 00 RiiR lAlA si ;

ENSAYOS DE FRACTURA POR IMPACTO. Transición dúctil-frágil� Es una forma de estimar la tenacidad a partir de la energía necesaria para romper

una probeta mediante una carga de impacto� La muestra sigue una rápida sucesión de deformación elástica, plástica y fractura� Transición dúctil-frágil �� Dependencia con la temperatura de la energía absorbida

en el impacto: algunos materiales presentan comportamiento dúctil (alta energía) a alta temperatura y frágil (baja energía) a temperaturas bajas

Izod

Charpy

Esquema ensayo de impacto


5.5 DUREZA (hardness) (I)

Medida de la resistencia del material a la deformación plástica localizada

� En un principio se basaba en la capacidad de un material de rayar a otroEscala de MOHS

� Actualmente se mide a partir de ensayos de indentación, que consisten en aplicar un penetrador sobre la superficie del material en condiciones controladas de carga y velocidad de aplicación de la carga.

� La dureza se determina a partir de la profundidad o tamaño de la huella resultante.� Las durezas así medidas tienen sólo carácter relativo y no absoluto� Los ensayos de dureza son muy frecuentes. Representan una manera asequible de obtener

información del comportamiento mecánico del material, menos costosa que los ensayos a tracción , por ejemplo.

� Entre sus ventajas destacan:�Son sencillos y económicos, la preparación de la probeta no es complicada�Son prácticamente no destructivos, sólo se genera una huella mínima�Se pueden estimar otras propiedades mecánicas a partir de la dureza, como la

resistencia tracción

10987654321

DiamanteCorindónTopacioCuarzoOrtoclasaApatitoFluoritaCalcitaYesoTalco


5.5 DUREZA (II)

(Fte. Callister)


5.6 FATIGAComportamiento del material frente a TENSIONES CÍCLICAS O FLUCTUANTES

de valores inferiores a la resistencia a tracción o límite elástico

� La rotura se produce tras un nº elevado de ciclos carga-descarga� Es la primera causa de rotura de los materiales

Tensiones cíclicas entre tensión máxima σσσσmax y mínima σσσσmin

� El comportamiento en fatiga de los materiales se determina en laboratorio a partir de ensayos de fatiga, dando lugar a las denominadas CURVAS S-N, tensión (normalmente σa) vs nº de ciclos hasta la rotura

2

minmax σσσ

+=m

minmax σσσ −=r22

minmax σσσσ

−== r

a

max

min

σσ

=RValor medio Cociente de tensiones

Intervalo de tensiones Amplitud de la tensión

103 104 105 106 109108107 1010

Nº de ciclos hasta rotura, N

Amplitud de la tensión σσ σσa

103 104 105 106 109108107 1010

Nº de ciclos hasta rotura, N

Amplitud de la tensión σσ σσa

Límite de fatiga

N1

σ1


5.7 FLUENCIA (creep) (I)Deformación permanente (plástica) y dependiente del tiempo a tensión constante

� Fruto de la combinación de tensiones estáticas y temperatura� Apreciable en metales a partir de T>0.4Tf

Curva típica de fluencia

Def

orm

ació

n d

e fl

uen

cia,

ε

Tiempo, t

Deformación instantánea (elástica)

Rotura

Terciaria

SecundariaPrimaria

ts ∆∆

=• εεVelocidad de fluencia

estacionaria


Dependencia con la tensión y la temperaturaEjemplo: Aleación níquel baja en C

5.7 FLUENCIA (II)

−=•

RT

QK

scn expσε

Parámetro de Larson-Miller: T(C+log tr), donde C es una constante (≈20)T la temperatura en Ktr el tiempo a la ruptura

Permite una estimación del tiempo de ruptura, para tiempos prolongados, a partir de ensayos a temperaturas altas

Representación log σ vs parámetro Larson-Millerpara una aleación de base hierro (Fte. Callister)

(Fte. Callister)

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