1.6. Propiedades físicas y mecánicas de los materialeS.pdf

1.6. Propiedades físicas y mecánicas de los materialeS.pdf

1. Propiedades físicas y mecánicas
de los materiales

2. Propiedades físicas y mecánicas de
los materiales
2.5. Propiedades mecánicas de los materiales
2.5.1 Tensión y Deformación
2.5.2 Elasticidad
2.5.3 Plasticidad
2.5.4 Ductilidad
2.5.5 Tenacidad y Resiliencia
2.5.6 Dureza
2.5.7 Fluencia
2.5.8 Fatiga

3. Definición
Son propiedades del material relacionadas con su
capacidad de transmitir y resistir fuerzas o
deformaciones

Importancia
Elección del material adecuado para cada aplicación o
proyecto
Modelizar el comportamiento observado en la práctica

Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

4. Determinación
Las propiedades mecánicas generalmente se
determinan mediante ensayos aplicados a
probetas o piezas
Clasificación de los ensayos:

–Destructivos: provocan inutilización parcial o total de la
pieza (tracción, dureza, fatiga, fluencia, torsión, flexión,
impacto)
–No destructivos: no comprometen la integridad de la pieza
(rayos X, ultrasonido, líquidos penetrantes, microdureza)

–Estáticos: carga aplicada lentamente (tracción, compresión,
flexión, dureza)
–Dinámicos: carga aplicada lentamente o de forma cíclica
(fatiga e impacto)
–Carga constante: carga aplicada durante un largo período
(fluencia)
En cuanto
a la
Integridad
En cuanto
a la
velocidad
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

5. 2.5.1 Tensión y Deformación
En un sentido simplista, la tensión se puede pensar como
Carga/Área.
De manera similar, deformación es la variación de longitud
del componente/longitud original.
Una tensión puede ser directa, cortante, o torsional –
producen su correspondiente deformación.
La tensión no se puede medir directamente, pero el
alargamiento que tiene sí.
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

6. 2.5.1 Tensión y Deformación
Se expresa la carga en Newtons (N) y la Área
en mm
2
para obtener la tensión en Mpa.
Tensión: Fuerza por unidad de superficie del sólido
: Tensión (MPa)
F; Fuerza (N)
S: Superficie (mm
2
)
Unidades: S. I. Pascales (1Pa = 1N/m
2
). En la práctica:
1 MPa= 1 N/mm
2
= 10 kp/cm
2
= 0.1 kp/mm
2
N
mm
2
MPa
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

7. Tipos
(a)Tracción
(b)Compresión
(c)Cizalla
(d)Torsión

2.5.1 Tensión y Deformación
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

8. Load, P
P
Area
Ao
Lo
L/2
L/2 Tensión uniaxial - Tracción Load, P
P
Area
Ao
Lo
L/2
L/2 Tensión uniaxial- Compresión
Tensión
Deformación o
A
P
 oL
L

2.5.1 Tensión y Deformación
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

9. 2.5.1 Tensión y Deformación
Ensayo de tracción directa
Se somete el material a una carga de tracción creciente que
promueve una deformación progresiva y aumento de
longitud


Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

10. Pinza
Specimen
Extensómetro
2.5.1 Tensión y Deformación
•Ensayo de tracción directa

Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

11. 2.5.1 Tensión y Deformación
•Ensayo de tracción directa

Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

12. Región entre M y F:
•MetalesOcurre el
estrechamiento de la sección
•CerámicaOcurre la
propagación de fisuras
•PolímerosOcurre la
alineación las cadenas
poliméricas que están a punto de
romperse
2.5.1 Tensión y Deformación
•Ensayo de tracción directa

Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

13. Elastic limit
E
Strain (=L/Lo)
Stress (

=
P/
Ao
)

2.5.1 Tensión y Deformación
•Ensayo de tracción directa

14. Región entre M y F:
•MetalesOcurre el estrechamiento de
la sección
•CerámicaOcurre la propagación de
fisuras
•PolímerosOcurre la alineación las
cadenas poliméricas que están a punto
de romperse
2.5.1 Tensión y Deformación
•Ensayo de tracción directa

Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

15. 2.5.1 Tensión y Deformación
•Ensayo de compresión
–Se somete el material a una carga de compresión
creciente que promueve una deformación progresiva de
contracción


Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

16. El material vuelve a su configuración inicial
una vez cesa la carga
Deformación elástica es aquella totalmente
recuperable una vez cesa su causa
Está relacionado con la rigidez del material y
con las fuerzas de las ligaciones
interatómicas



1. Inicial 2. Carga 3. Descarga
F
d
F
d
Lineal-
elastica
No-Lineal-
elastica
2.5.2 Elasticidad
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

17. Módulo de elasticidad:
Ratio entre la tensión aplicada y la deformación
elástica resultante



LA
LF
E



0

 A
F
 0
L
L

Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.2 Elasticidad

18.  = E 

Elástico-
linear
E

F
1
•Módulo de elasticidad:
–Elástico-lineal (mayoría de los materiales)
•Ley de Hooke: Para materiales elásticos la tensión es
linealmente proporcional a la deformación y
independiente del tiempo.




Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.2 Elasticidad

19. 0.0100.0080.0060.0040.0020.000
0
100
200
300
400
500
CONT INUED
Stress (MPa)
Strain MPa
MPa
E
5
2x10
)0.0015.0(
)0300(








 •Módulo de elasticidad:
–Elástico-lineal (mayoría de los materiales)
•Ley de Hooke: Para materiales elásticos la tensión es
linealmente proporcional a la deformación y
independiente del tiempo.




Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.2 Elasticidad

20. •Módulo de elasticidad:
–Elástico-lineal (mayoría de los materiales)
–Elástico-no lineal (Hormigón y muchos
polímeros)
•Módulo tangente  Verificación de tensiones límites
•Módulo secante  Verificación de deformaciones en
servicio







Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.2 Elasticidad

21. •Módulo de elasticidad:
–Factores que afectan el módulo de elasticidad
•Temperatura
•Porosidad
•Humedad



Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.2 Elasticidad
Temperatura
Módulo de elasticidad
Porosidad Módulo de elasticidad

22. •Coeficiente de Poisson:
–La compresión o tracción de cualquier estructura
cristalina en una única dirección también causa una
deformación en la dirección perpendicular a la de
aplicación de la carga



Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.2 Elasticidad 


x

z


y

z
Valores de ν:
Sin cambio de volumen = 0.5
Polímero = 0.4
Cerámico = 0.2
Mayoría de Metales=0.25 < ν <
0.35 en la región elástica 

x 

z
Deformación Longitudinal

Deformación Lateral

23. •Módulo de deformación cortante:



Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.2 Elasticidad

24. •Módulo de deformación cortante:



Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.2 Elasticidad Shear Stress, 
Shear
Strain,

Shea
r Stress

Shear Strain 

tg
G H
dx
tg 

12
E
G

25. 1. Inicial 2. Carga 3. Descarga
p lanes
still
sheared
F
d elástica + plástica
d plastic
σ
d
d plástica
d
elástica
•La deformación plástica
produce cambios en la
estructura interna del material
que no se recupera una vez
cesa la carga. (La deformación
queda permanente)


Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.3 Plasticidad

26. Antes de la
deformación
Después de la
deformación
•La deformación plástica
produce cambios en la
estructura interna del material
que no se recupera una vez
cesa la carga. (La deformación
queda permanente)


Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.3 Plasticidad

27. Mayoría Metales - Al, Cu Aleaciones Al Acero bajo carbono
Stress

Strain 0.002 0.002 0.002
S
y
S
y
S
y
Elastic Plastic Elastic Plastic
Elastic Plastic
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.3 Plasticidad

28. T
ensión

Deformación
Plástica
Elástica

e 
p
P
Deformación Total
(,) ep
e
pe
E







El límite elástico es la
tensión
que produce una
deformación
plástica (permanente)
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.3 Plasticidad

29. Deformación
T
ens
ión

Cargando
Descargando
Cargando
Descargando
Recarga
elastic strain
Deformación
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.3 Plasticidad

30. Elongación



Reducción Área EL%
L
fL
o
L
o
x 100 
RA%
A
o
A
f
A
o
x 100
L
o



A
o
L
f


A
f
•Deformación plástica que ocurre hasta el fallo del
material

Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.4 Ductilidad

31. •Ductil x Frágil

Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.4 Ductilidad
Dúctil si EL% > 5% (aproximadamente)
Frágil si EL% < 5% (aproximadamente)
Engineering
Stress

Engineering Strain

32. •Ductil x Frágil

Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.4 Ductilidad
Dúctil si EL% > 5% (aproximadamente)
Frágil si EL% < 5% (aproximadamente)

 %AL reducido
(frágil si %AL<5%)

%AL elevado
(dúctil si %AL>5%)

33. n
rr
K  Material n K (MPa)
Acero con bajo contenido de C 0,26 530
Acero 4340 recocido 0,15 640
Acero inox 304 recocido 0,45 1275
Alumínio recocido 0,2 180
Liga de Alumínio 2024 T 0,16 690
Cobre recocido 0,54 315
Latón 70-30 recocido 0,49 895
•K y n son constantes que dependen
del material
•Tensión Real (teniendo en cuenta la reducción de
la sección transversal)


Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.4 Ductilidad

34. Resiliencia: Una medida de la capacidad de una material
para absorber energía sin sufrir una deformación
permanente o plástica. (J/m
3
or N.mm/mm
3
= MPa)

Tenacidad: Una medida de la capacidad de un material
para absorber energía sin romperse. (J/m
3
o
N.mm/mm
3
= MPa)

Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.5 Tenacidad y Resiliencia

35. Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.5 Tenacidad y Resiliencia X
Resiliencia, U
r
Engineering Strain,  = DL/Lo)
Engineering
Stress,

=
P/
Ao

E
dU
y
yy
o
r
y
2
2
2








y
E
e
y

36. Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.5 Tenacidad y Resiliencia
Tenacidad, U
t
Engineering Strain, e = DL/Lo)
Engineering
Stress,
S=P/
Ao








100
%
2
)( EL
dU
uy
o
t
f




y

37. Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.5 Tenacidad y Resiliencia
Clasificación de los
materiales en función de la
ductilidad


Baja tenacidad (polímeros)

 Baja tenacidad (cerámica)
Elevada tenacidad (metales)

38. •Definición:
–Resistencia del material a la deformación plástica
localizada
•La dureza elevada está relacionada con:
–Resistencia a la deformación plástica y fallo por
fisuración
–Mayor resistencia al desgaste
–Mayor resistencia a tracción (Estimación por ensayo
no destructivo)




Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.6 Dureza

39. •Ensayos para medir dureza




Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.6 Dureza
Penetrador
d D
Medida de la huella
Dureza

d

40. •Ensayos para medir dureza
–Rockwell: Se determina un nº de dureza a partir de la
diferencia de profundidad de penetración. Los penetradores
son bolas esféricas de acero endurecido.
–Brinell: se fuerza un penetrador duro esférico en la
superficie del metal a ensayar
–Vickers: se fuerza un penetrador en forma de pirámide de
diamante. La marca resultante se observa al microscopio







Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.6 Dureza
Brinell Rockwell
Vickers

41. •Ensayos para medir dureza



Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.6 Dureza

42. •Relación entre dureza y resistencia a tracción



Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.6 Dureza

43. •Deformación lenta y progresiva (creciente) con el paso
del tiempo en materiales sometidos a una tensión
constante
•Se determina a tracción, compresión, cizalla y flexión.
•Los tiempos de ensayo son muy largos.







Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.7 Fluencia

44. •Deformación lenta y progresiva (creciente) con el paso
del tiempo en materiales sometidos a una tensión
constante
•Se determina a tracción, compresión, cizalla y flexión.
•Los tiempos de ensayo son muy largos.







Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.7 Fluencia

45. Fluencia
Deformación
instantánea
Deformación
Tiempo
A
V
0
E
D
C
B
Fluencia
primaria
Fluencia
secundaria
Fluencia
terciaria RT
E
n
eA
t
V




 

0 n
r
at

46. •Ensayos para determinar la fluencia
–Método: Medir deformaciones con el tiempo en probetas
en condición de tensión y temperatura constante
–Resultados: Curva tensión-tiempo
–Principales parámetros: V0 y tr






Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.7 Fluencia

47. Deformación
T
1 = 10ºC

Tiempo
T
2 = 20ºC

T
3 = 30º C

T
4 = 40ºC

Temperatura
Deformación
V
0
t
r
•Factores que afectan la fluencia
–Temperatura






Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.7 Fluencia

48. •Factores que afectan la fluencia
–Temperatura
–Tensión






Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.7 Fluencia
Deformación
σ
1 = 10 MPa

Tiempo
σ
2 = 20 MPa

σ
3 = 30 MPa

σ
4 = 40 MPa

Tensión
Deformación
V
0
t
r

49. •Fallo debido a la variación cíclica de tensiones






Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.8 Fatiga
Cuidado!
Aparición de
1ª fisura
Propagación Fallo

50. •Fallo debido a la variación cíclica de tensiones






Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.8 Fatiga
Tensión
Tiempo
σ
max

σ
max

σ
min

σ
min

Δσ

Período
σ
m
ed
ia

51. •Proceso de fractura
–Deformación plástica
–Nacimiento de la fisura (5-10% del tiempo total)
–Desarrollo de la fisura y expansión
–Fractura rápida
–Las fisuras crecen perpendicularmente a la tensión. Solamente
crecen los más agudos.

•Fractura típica a fatiga
–Comienza por la superficie.
– 
tracción fatiga< 
tracción estático






Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.8 Fatiga

52. •La rotura se produce en dos formas:
–Fatiga por ciclos cortos: La tensión máxima en cualquier
ciclo es mayor a la tensión de plastificación y menor a la
resistencia a tracción estática y el número de ciclos de
carga es menor que 1000.
–Fatiga por ciclos largos: la tensión máxima es inferior a la
tensión de plastificación. Se necesitan 10
5
- 10
6
ciclos de
carga.






Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.8 Fatiga

53. Metales ferrosos y
aleaciones
Resistencia
límite
Límite de
fatiga
Amplitud de
tensión (Δσ)
Número de ciclos
de carga (log N)
1 10 100
Mayoría de los
materiales
Vida útil
límite Nk
a

Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.8 Fatiga

54. Metales ferrosos y
aleaciones
Límite de
fatiga
Amplitud
de tensión
Número de ciclos
de carga (log N)
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.8 Fatiga

55. Resistencia
para vida
útil límite
Resistencia
límite

Amplitud
de tensión
Número de ciclos
de carga (log N)
Mayoría de los
materiales
Vida útil
límite
Vida útil para
resistencia
límite
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.8 Fatiga

56. •Factores que afectan la fatiga:
–Temperatura
–Amplitud de tensiones
–Período de los ciclos (Frecuencia)
–Efectos de superficie






Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.8 Fatiga
Con
esquinas
Redondeados

57. •Mejora la resistencia a fatiga
–Mejora del diseño: Reducir los cambios de sección
bruscos, redondear los contornos
–Mejora de los métodos de elaboración
–Aumento de la resistencia a tracción: mejor aleación
–Endurecimiento superficial
–Inducción de compresión en la superficie






Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas

2.5.8 Fatiga
Con
esquinas
Redondeados

58. Elasticidad – Módulo de elasticidad o Módulo de Young
(MPa)
Resistencia – Plástica, Última, Fractura. Medido como
tensión (MPa)
Ductilidad – Medida de la habilidad de deformar
plásticamente sin fractura - Alargamiento, reducción de
área, Deformación de fractura - (no unidades o mm/mm)
Tenacidad, Resiliencia – Medición de la habilidad para
absorber energía (J/m
3
).
Dureza - Resistencia a la deformación plástica localizada
(Varias escalas, p.e.; Rockwell, Brinell, Vickers.)
Fluencia- Lenta y progresiva deformación de un material
con el tiempo
Fatiga – Rotura debido a cargas cíclicas

Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas