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
CTM – PROPIEDADES MECÁNICAS
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 � %)
CTM – PROPIEDADES MECÁNICAS
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
CTM – PROPIEDADES MECÁNICAS
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
CTM – PROPIEDADES MECÁNICAS
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
CTM – PROPIEDADES MECÁNICAS
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
CTM – PROPIEDADES MECÁNICAS
CTM – PROPIEDADES MECÁNICAS
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
CTM – PROPIEDADES MECÁNICAS
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
CTM – PROPIEDADES MECÁNICAS
5.5 DUREZA (II)
(Fte. Callister)
CTM – PROPIEDADES MECÁNICAS
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
CTM – PROPIEDADES MECÁNICAS
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
CTM – PROPIEDADES MECÁNICAS
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)
Top Related