DICCIONARIO TCNICO INGLS ESPAOL

RAFAEL GARCA DAZ

Editorial limusa

1986

UNIDAD 1

Propiedades Mecnicas

Materialesde Ingeniera

Porcin de materia que se procesa para que adquiera unaforma a la que se le da un uso particular para desarrollaruna actividad especfica.

Material de Ingeniera

Relacin Estructura-Propiedades-Procesamiento-Desempeo

CIENCIA &

INGENIERIA DE

MATERIALES

Propiedades

Estructura / Composicin

Sntesis /

Procesamiento

Desempeo en

servicio

PROPIEDADES MECNICAS Y COMPORTAMIENTO DE LOS

MATERIALES

Los materiales se seleccionan para

diversos componentes y aplicaciones

adecuando las propiedades del

material a las condiciones de trabajo

requeridas por el componente.

PROPIEDADES MECNICAS

El primer paso en el proceso de seleccin requiere

que se analice la aplicacin para determinar las

caractersticas mas importantes que debe poseer

el material Debe ser el material resistente, rgido

o dctil? Estar sometido a la aplicacin de una

gran fuerza o a una fuerza subita intensa, a un

gran esfuerzo , a elevada temperatura o

condiciones de abrasin?

PROPIEDADES MECNICAS

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

ingeniera.

PROPIEDADESMECNICAS

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 mecnicas del material.

PROPIEDADES MECNICAS

ENSAYO DE TENSION

OBJETIVO

Aprender a realizar una grfica Esfuerzo

Deformacin ( ) a partir de datos de cargas y alargamientos obtenidos de una probeta normalizada sometida a un esfuerzo normal de tensin.

Esfuerzo-Deformacin ingenieriles

De sta grfica se determinan algunas propiedades mecnicas de los materiales

Grfica Esfuerzo - Deformacin

El ensayo de tensin o de traccin mide la resistencia de un material a la aplicacin gradual de una fuerza tensora , la siguiente figura muestra una probeta tpica de 0.5 pulgadas de dimetro y una longitud de calibracin de 2 pulgadas.

Especimn ASTM para Ensayo

de Tension Ao=0.20 in2

lo

Esta probeta se fija en la mquina de ensayo y se le aplica una fuerza F, llamada carga o peso. Un deformmetro o extensmetro se usa para medir el alargamiento de la probeta entre las marcas de calibracin cuando se aplica la fuerza

Ensayo de Tension

Mquina Universal

de pruebas

Extensometro

Mide l

Mide F

Especimn

Cabezal

Celda de carga

Sistema Moderno de Ensayo de

Materiales

Mordazas

Hidralicas

tipo Cua

EspecimenExtensometro

24O

O

F

d

F

AO

O O

l l l

l l

Ejemplos de Esfuerzos Normales

Load, P

P

Area

Ao

Lo

L/2

L/2

Load, P

P

Area

Ao

Lo

L/2

L/2

Esfuerzo Ingenieril

Deformacin

Ingenieril

Carga, F Carga, F

FF

l / 2l / 2

l / 2

l / 2

l / 2

l / 2

Tensin Compresin

Los resultados de un ensayo de tensin 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 dimetro en particular. La fuerza necesaria para producir un cierto grado de deformacin es mayor si el dimetro de la muestra es mayor

FCarga

(lb)

l LongitudCalibrada

(plg)

0 2.000

1000 2.001

3000 2.003

5000 2.005

7000 2.007

7500 2.030

7900 2.080

8000 2.120

8000 (mx) 2.160

7600 (ruptura) 2.205

Datos de carga-longitud calibrada resultantes de una

prueba de tensin en una barra de aleacin de aluminio

de 0.505 plg de dimetro

Datos Iniciales ObtenidosCarg

a,

F (

kN

)

Elongacin, l (mm)

Deformacin Uniforme

Elongacin Total

Deformacin

Elastica

X

Carga

Mxima, Fmax

Carga, Ff

Fractura

Estriccin

empieza

Fractura

FCarga

(lb)

l LongitudCalibrada

(plg)Esfuerzo

(psi)

Deformacin,

(plg/plg)

0 2.000 0 0

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 (mx) 2.160 40 000 0.0800

7600 (ruptura) 2.205 38 000 0.1025

Datos de carga-longitud calibrada resultantes de una prueba de

tensin en una barra de aleacin de aluminio de 0.505 plg de

dimetro y conversin de los datos a esfuerzo y deformacin

Ejemplo:

00

0

carga o fuerzaEsfuerzo Ingenieril

area

longitudDeformacion Ingenieril

longitud

F

A

l l

l

F = P = Fuerza o carga. Newtons, Kgf, lbf, etc

l-lo = l Alargamiento o desplazamiento.

metros, centmetros, pulgadas, etc.

A travs del tratamiento de los resultados obtenidos, la

grfica anterior (CargaElongacin) se transforma en la

grfica Esfuerzo-Deformacin, por medio de las siguientes

ecuaciones:

0maxima

0

0

Esfuerzo de fluencia

Resistencia a la tension

Resistencia a la rotura

Modulo de Young

fluencia

fl

tr

roturarot

F

A

F

A

F

A

E 2 1

2 1

My

Propiedades mecnicas obtenidas del ensayo de tensin

Curva Esfuerzo-Deformacin Ingenieriles

Elongacin

0.2% offset

yield stress

Lmite Proporcional

E

E

(Ultimate)

Deformacin Ingenieril, = L/Lo)

Esf

uer

zo I

ngen

ieri

l,

=F

/Ao Sy

Esfuerzo de

Rotura rot

Fractura

Resistencia

a la tensin

tr

fl Esfuerzo

de Fluencia

Convencional

al 0.2%

Mdulo de Elasticidad - Rgidez

Esfuerzo de fluencia convencionalEn algunos materiales, el esfuerzo al cual cambian de comportamiento elstico a comportamiento plstico no se detecta con facilidad. En este caso se determina un esfuerzo de fluencia convencional (a partir de la grfica esfuerzo deformacin). Se establece una deformacin 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 porcin inicial de la curva esfuerzo-deformacin, desplazada 0.002 plg/plg respecto del origen . El esfuerzo de fluencia para la deformacin permanente de 0.2% es aqul donde la recta de desplazamiento (offset) corta a la curva esfuerzo-deformacin.

Ductilidad - %El y %RA

lo

Ao

lf

Af

Elongacin, El

Reduccin de rea, RA

1 psi = libra fuerza por pulgada cuadrada (lbf/plg2)1 MPa = megapascal1 MN/m2 = 1 MPa = meganewton por metro cuadrado

= newton por milmetro cuadrado= megapascal

1 GPa = 1000 MPa = gigapascal1 Ksi = 1000 psi = kilolibra fuerza por pulgada cuadrada (kip/plg2)1 Ksi = 6.893 MPa1 psi = 0.006895 MPa1 MPa = 0.145 ksi = 145 psi

Unidades y factores de conversin de unidades para el esfuerzo

Deformacin Elstica y PlasticaE

sfuer

zo

DeformacinPlastica

Elsticaep

F

Deformacin

Total

(

El esfuerzo de fluencia

convencional al 0.2% es

el esfuerzo al cual se

obtiene una deformacin

plstica (permanente) de

0.002.

Dureza Metalrgica

Dureza Metalrgica es la oposicinque tiene un material a serdeformado plsticamente (o serpenetrado) por otro, es decir dejaruna huella permanente en lasuperficie del material

Ensayo de dureza Brinell (HBN)

En este ensayo se utiliza un penetrador con una bola de acero

endurecida que tiene bajo condiciones estndar un dimetro de

10 mm. La carga total y el tiempo de carga aplicado cambian

dependiendo de la aleacin.

Para aleaciones ferrosas (aceros y hierros colados) la carga es de

3000 Kg y el tiempo de aplicacin 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 dimetro de la huella (d), marca, impresin o identacin dejada por el penetrador es medida mediante un microscopio graduado, normalmente incluida en los equipos comerciales. El clculo de la dureza puede ser automtico o puede calcularse a partir de la expresin:

Donde P es la carga aplicada en Kg fuerza, D es el dimetro del identador y d es el dimetro de la huella.

Criterios para la seleccin (clculo) 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, yD es el dimetro del penetrador en mm

230DP

210DP

25DP

Ensayo de dureza Rockwell (HR)

La determinacin de este ensayo se basa en ladiferencia de profundidad de la huella provocada enel material al aplicar la carga establecida.

Este ensayo tiene muchas variantes, las dos msimportantes son la Rockwell C aplicada a aceros endurecidosy la Rockwell B aplicada a aceros suaves y aleaciones noferrosas.La escala Rockwell C se caracteriza por utilizar unpenetrador de punta de diamante con ngulos de 120 entrecaras con una carga total de 150 Kg, el valor de la dureza esautomticamente indicada en una cartula dial o digitaldisponible en el equipo. La magnitud til de sta escala tienevalores desde 5 hasta valores mximos de 70 para aceros

Esquema del ensayo de dureza Rockwell C

En el ensayo de dureza Rockwell B se utiliza un penetrador con bola de acero endurecido de 1/16 plg de dimetro, con una carga de 100 Kg, la escala va de valores de 0 hasta 80

Accesorios para durmetros

Durmetro Electrnico Digital Rockwell

Se consideran como pruebas de microdurezadebido a que las cargas aplicadas son en generalpequeas y por tanto producen huellas muypequeas en el material, las cuales son observadasy medidas mediante un microscopio de mayorresolucin que el de la escala Brinell. La escalaVickers es la ms utilizada de las dos, las cargascomprenden desde unos pocos gramos hasta varioscientos de gramos, el identador o penetrador esuna punta de diamante con ngulos entre caras de136. La escala Knoop tambin aplica cargas deunos pocos hasta algunos cientos de gramos, lapunta del penetrador es de diamante de formarombodrica con ngulos entre las caras de 172 y130 . La figura muestra los identadores y lashuellas dejadas por las escalas Vickers y Knoop.

Ensayos Vickers (HV) y Knoop (HK)

Penetradores para las escalas (a) Vickers y (b) Knoop.

a) b)

Escalas de dureza para metales y sus aleaciones

El mdulo de Young esta estrechamente relacionado con las fuerzas

que unen los tomos en el material, es decir los valores del mdulo de

elasticidad son mayores para los metales de alto punto de fusin. A su

vez el modulo de elasticidad se relaciona con la densidad, esta relacin

es una medida de la rigidez del material. Esta relacin se denomina

Rgidez especfica

Modulo de YoungRigidez especifica =

Densidad

E

Un material rgido con un mdulo de elasticidad alto, mantiene su

tamao y forma al ser sometido a una carga elstica. Si se disea

un eje y un cojinete o apoyo para el mismo, pueden requerirse

tolerancias muy estrechas. Pero si el eje se deforma

elsticamente, esas tolerancias pueden ocasionar rozamiento o

desgaste excesivos, o bien, el trabamiento entre las piezas

Comparacin del comportamiento elstico del acero y del aluminio

La figura muestra el comportamiento elstico del hierro y del aluminio. Si

se aplica un esfuerzo de 30, 000 psias a un componente, el acero se

deforma elsticamente 0.001 plg/plg mientras que con el mismo esfuerzo

el aluminio se deforma 0.003 plg/plg. El hierro tiene un mdulo de

elasticidad tres veces mayor que el del aluminio.

00 0

Esfuerzo real

Deformacion real ln ln

t

t

F

A

dl l A

l l A

Donde A es el rea instantnea sobre la que se aplica la fuerza F. La expresin

In(Ao/A) debe utilizarse despus de iniciada la estriccin. La curva esfuerzo -

deformacin reales se compara con la curva esfuerzo-deformacin ingenieriles, el

esfuerzo real contina incrementndose despus de la estriccin debido a que;

aunque la carga requerida disminuye, el rea disminuye an ms

0

0

0

FEsfuerzo

A

l lDeformacion

l

Donde A0 es el rea de la seccin transversal de la muestra antes de iniciar la prueba, lo es

la distancia original entre marcas de calibracin y l es la distancia entre las marcas despus

de aplicar la fuerza F. La curva esfuerzo - deformacin se utiliza normalmente para registrar

los resultados de un ensayo de tensin.

Comparacin entre la curva Esfuerzo-Deformacin reales y la

curva Esfuerzo-Deformacin Ingenieriles

Efecto de la temperatura (a) en la curva esfuerzo-deformacin y (b) en las

propiedades a la tensin de una aleacin de aluminio

Efectos trmicosLas propiedades a la tensin se ven afectadas de manera importante por la temperatura. El esfuerzo de fluencia, la resistencia a la tensin y el mdulo de elasticidad disminuyen a temperaturas elevadas, en tanto que la ductilidad, como medida del grado de deformacin en la fractura, comnmente 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.

.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 diseado 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 propagacin de la fractura.

En el ensayo, un pndulo pesado que parte de una altura ho, gira describiendo un arco, golpea y rompe la probeta, alcanzando una elevacin menor al final, hf. Conociendo las elevaciones inicial y final del pndulo, se puede calcular la diferencia de energa potencial. Esta diferencia es la energa de impacto absorbida por la probeta durante la ruptura. La energa 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 transicin

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 rea delimitada por la curva esfuerzo real-deformacin real se relaciona con la energa de impacto. Aunque el material B tiene un menor esfuerzo de fluencia, absorbe mayor energa que el material A.

a) b)

En muchas aplicaciones un componente se somete a la aplicacin repetida de un esfuerzo inferior al de fluencia del material. Este esfuerzo repetido puede ocurrir como resultado de cargas de rotacin, flexin, o an de vibracin. Aunque el esfuerzo sea inferior al punto de fluencia, el metal puede fracturarse despus de numerosas aplicaciones del esfuerzo. Este tipo de fallas es conocido como fatiga.

ENSAYO DE FATIGA

Un mtodo comn para medir la resistencia a la fatiga es el ensayo de la viga en voladizo rotatoria. El extremo de una probeta maquinada cilndrica se monta en un dispositivo acoplado a un motor. En el otro extremo se suspende un peso. La muestra soporta inicialmente una fuerza de tensin que acta en la superficie superior, mientras que la superficie inferior se comprime. Despus de que la muestra gira 90, los sitios que originalmente estaban en tensin y en compresin no reciben esfuerzo alguno sobre ellos.

Despus, a una rotacin de 180, el material que estaba originalmente en tensin est ahora en compresin y viceversa. De aqu que el esfuerzo en cualquier punto de la probeta pasa por un ciclo completo que va de cero a mxima tensin, y de cero a mxima compresin.

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

Resultados del ensayo de fatiga.

Los dos resultados ms importantes de una serie de ensayos de fatiga son la

duracin a la fatiga para un esfuerzo en particular, y el lmite de resistencia a la

fatiga para el material. La duracin a la fatiga indica cuanto dura un

componente cuando un esfuerzo se aplica repetidamente al material. Si se

va a disear una pieza de acero de herramienta que debe soportar 100,000

ciclos durante su vida til, entonces debe disearse de manera que el esfuerzo

aplicado sea menor que 90,000 psias.

El lmite 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 lmite de resistencia real. Para estos materiales, la duracin a la

fatiga es una consideracin ms crtica; los esfuerzos aplicados deben ser lo

suficientemente bajos, de modo que la falla no ocurra durante la vida til 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 repeticin

del esfuerzo.

El mximo esfuerzo que acta en la superficie de una barra cilndrica cuando se aplica una

fuerza que la dobla en un extremo es:

10183

. lW

d

donde l es la longitud de la barra, W es la carga y d es el dimetro. Se aplica una

fuerza de 650 lb a una barra de acero para herramientas que gira a 3000 ciclos/min. La

barra tiene un dimetro de 1 plg y una longitud de 12 plg. (a) Determinar el tiempo

despus del cual la barra falla, y (b) calcular el dimetro de la barra que evitar la falla

por fatiga

2

3 3

10.18 (10.18)(12)(650)79,400 lb/plg

1

lW

d

De la figura anterior, el nmero de ciclos para la falla es de 150,000. El tiempo para

ello es:

t150 000

300050

,min

(b) El lmite de resistencia a la fatiga es 60,000 psi, de la figura anterior. Por lo tanto,

d

d p

3 1018 12 650

60 00013234

1098

( . )( )( )

,.

. lg

a)

PROPIEDADES MECANICAS1. Resistenciacapacidad de soportar una carga externa a el material2. Durezapropiedad que expresa el grado de deformacin permanente que sufre un metal bajo la accin directa de una carga3. Plasticidadcapacidad de deformacin permanente de un metal sin que llegue a romperse4. Elasticidadcapacidad de un material de volver a sus dimensiones normales despus de haber cesado la carga5. Tenacidadla resistencia a la rotura por esfuerzos de impactos que deforman el metal.6. Fragilidadpropiedad que expresa la falta de plasticidad y por tanto de tenacidad los materiales frgiles se rompen en el limite elstico7. Resistencia al impactoes la resistencia de un metal a su rotura por choque y se determina por medio del ensayo de charpy

8. Fluenciapropiedades de algunos metales de deformarse lenta y espontneamente bajo la accin de su propio peso o de cargas muy pequeas

9. Fatigaesta propiedad se utiliza para medir materiales que van a estar sometidos a accin de cargas peridicas.

10. Maleabilidades la caracterstica de los metales que permite la obtencin de lminas muy delgadas.

PROPIEDADES FISICAS

1. Peso especificoabsoluto o relativo, el primero es el peso de la unidad de volumen de un cuerpo homogneo y el peso especfico relativo es la relacin entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia tomada como referencia

2. Punto de fusindescribe la temperatura en la cual un material o elemento pasa del estado slido a liquido

3. Dilatacin trmicamide cuanto se puede deformar un material con respecto a un diferencial de Temperatura, puede causar contraccin o dilatacin.

PROPIEDADES QUIMICAS1. Enlace metlicotienen pocos electrones en su capa ms externa y se pierden con gran facilidad. Se forma como resultado de que los tomos de elementos con baja electronegatividad ceden sus electrones de valencia.2. Enlace covalentees una reaccin entre dos tomos no metalicos3. Enlace inicoes una reaccin de 2 tomos de distinta electronegatividad. Existe transferencia de uno o ms electrones del tomo menos electronegativo hacia el ms electronegativo4. Enlace de van der wallsson fuerzas de estabilizacin molecular. Forman enlaces qumicos no covalentes.

Propiedades tecnolgicas.Estas propiedades determinan la capacidad de un metal a ser conformado en piezas o partes

tiles o aprovechables. Estas son:1. Ductibilidad: Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en fro; aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza. Los metales ms dctiles 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 ms fusibles y colables son la fundicin de hierro, de bronce, de latn y de aleaciones ligeras.

5. Soldabilidad: es la actitud de un metal para soldarse con otro idntico bajo presin 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 mecnicas y tecnolgicas. Los aceros se templan fcilmente debido a la formacin de una estructura cristalina caracterstica 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 fundicin gris y el bronce, con virutas cortadas en forma de escamas.

El acero dulce y las aleaciones ligeras de alta tenacidad, producen virutas largas.

Comportamiento plstico de los materiales

En contraste con la sencillez de la deformacin elstica, la deformacin plstica ocurre de diversas maneras.

Sin embargo, el resultado final es siempre un cambio de forma permanente

Un ejemplo tpico se tiene en el conformado de una parte de la carrocera de un automvil, como la capota. En este proceso, una potente prensa hidrulica aplica una lmina plana de acero sobre la configuracin de una forma de acero maciza, denominada matriz o dado. Cuando la presin se suprime, la hoja de acero retiene esencialmente la forma que le imparti la compresin sobre la matriz

Se realiza la misma clase de deformacin plstica cuando se dobla y deforma permanentemente un clip de acero

Se puede observar otro tipo distinto de deformacin plstica estirando un trozo de pelcula de polietileno; por ejemplo, el de una envoltura ordinaria de alimentos. Con una pequea deformacin momentnea la pelcula se comporta elsticamente, pero si se mantiene la misma fuerza un tiempo prolongado se hallar que la pelcula de plstico aumenta lentamente su longitud.La deformacin de un clip depende slo del esfuerzo aplicado, en tanto que la de un plstico tpico depende de la rapidez y duracin de la aplicacin del esfuerzo, as como de su intensidad.

Para comprender esta diferencia, en primer lugar se considerara la deformacin dependiente del tiempo

Deformacin viscosa y viscoelstica

Deformacin viscosa

En la viscosidad del vidrio resalta la caracterstica esencial del flujo viscoso: la rapidez de la deformacin es proporcional al esfuerzo aplicado. La viscosidad se expresa de manera cuantitativa por el coeficiente de viscosidad (N s/m2), que se define como:

esfuerzo cortante fuerza / area

rapidez de cambio de la deformacion por corte velocidad / espesor

Si se escribe ahora la ecuacin anterior en funcin del esfuerzo y la rapidez de deformacin d /dt, se obtiene la ecuacin general para fluido viscoso newtoniano:

d

dt

donde es el coeficiente de viscosidad. Esta ecuacin, con valores apropiados de , describe la deformacin de una extensa variedad de materiales. Desde luego se aplica virtualmente a todos los lquidos, inclusive a metales lquidos, vidrio lquido y polmeros tpicos en estado de fusin. Para ver por qu se aplica tambin a materiales slidos en ciertas condiciones, se considerarn a continuacin algunos ejemplos importantes.

Ley del fluido viscoso

Ejemplo: Por qu es frgil una varilla de vidrio a temperatura ambiente, pero se vuelve flexible a temperaturas alcanzadas por accin de la flama del soplete de vidriero? La respuesta est en la rpida variante (por lo comn exponencial) de su viscosidad al aumentar su temperatura, como se ve en las grficas de la siguiente figura. Aproximadamente a 900 C, el vidrio ordinario (sdico-clcico) est en su punto de trabajo, esto es, su viscosidad es de 10-4 N s/m2. Entonces si se le aplica un pequeo esfuerzo de 10-4 N/m2 se origina una rapidez de deformacin:

41

4

101

10

ds

dt

Con este valor, una varilla de vidrio puede duplicar su longitud en un segundo

Temperaturas importantes en la fabricacin de vidrios a base de silicatos, relacionadas con las curvas viscosidad temperatura

Una tosca extrapolacin de las curvas de la figuraanterior permite predecir que la viscosidad del vidriose aproxima a 1020 N s/m2, a la temperaturaordinaria. El esfuerzo mximo que una varilla devidrio comn puede soportar sin romperse es,aproximadamente, de 108 N/m2 al sustituir estosvalores

812 1

20

1010

10

ds

dt

Esta rapidez de deformacin es tan baja que el esfuerzo mximo necesitara ser aplicado durante 103 aos (1010 s) para producir en el vidrio una deformacin de 1% ( = 0.01)

El comportamiento viscoso de un polmero amorfo es significativamente distinto del que se observa en el vidrio debido a las diferencias en la estructura. El vidrio de slice tiene una red estructural con cada tomo ligado fuertemente en su posicin. Los enlaces individuales se rompen al acaso por efecto de la energa trmica; en presencia de un esfuerzo aplicado, los enlaces se restablecen con distintos tomos vecinos y permiten as, que ocurra deformacin permanente. En un polmero, por otra parte, el proceso trmicamente activado no es el rompimiento de un enlace fuerte en la propia cadena, sino slo el cambio del ngulo entre los tomos de carbono de la cadena (deformacin elstica) y el deslizamiento de una cadena en relacin con sus vecinos (deformacin permanente). En consecuencia cuando se aplica un esfuerzo a un polmero amorfo, la rapidez de deformacin resultante tiene una componente viscosa y una elstica.

Aun materiales cristalinos, como el acero, pueden deformarse de manera viscosa, pero slo bajo un esfuerzo reducido y a altas temperaturas, prximas a su punto de fusin. El proceso trmicamente activado en este caso es el escalamiento unitario de dislocaciones. Un esfuerzo demasiado bajo para producir deslizamiento es capaz de influir en la manera en que ocurre el escalamiento y causar as la deformacin lenta que se conoce como escurrimiento plstico (creep).

Este fenmeno obedece a la ley del flujo viscoso, la rapidez de deformacin es proporcional al esfuerzo durante la mayor parte del escurrimiento plstico.

Deformacin viscoelstica

Como ya se demostr en la "prueba de estiramiento" de una tira del plstico de una envoltura de alimentos, la deformacin de muchos polmeros est en algn sitio de un amplio sector de transicin entre el comportamiento perfectamente elstico y el comportamiento idealmente viscoso. A temperaturas superiores a la de transicin a vidrio Tv, la componente viscosa llega a ser ms importante, y en un cierto intervalo de temperaturas, el trmino deformacin viscoelstica describe correctamente el efecto combinado de los dos mecanismos en la determinacin del comportamiento observado. El fenmeno viscoelstico es notable en polmeros amorfos y, por lo tanto, el siguiente anlisis se enfocar a estos materiales.

Cambio de volumen en un lquido durante la cristalizacin o en transito al estado vtreo en la regin de temperaturas cercanas a Tv

Si a un material elstico se le produce una deformacin instantnea y (despus de un tiempo arbitrario) se mide el esfuerzo en el material deformado, la relacin entre tales valores es el mdulo de Young.

E

Este resultado es independiente del tiempo. Cuando se hace el mismo tipo de experimento con un polmero vtreo, a una temperatura algunos grados superior a su temperatura de transicin a vidrio, el mdulo respectivo M(t) se expresa como:

tM t

A medida que aumenta el tiempo t de la prueba, M (t) disminuye gradualmente porque el esfuerzo decrece a medida que el polmero cambia su estructura interna en respuesta a la deformacin constante . Ensayos al corte (en vez de pruebas tensiles) se emplean por lo comn para medir esta propiedad y, por lo tanto, el mdulo de relajacin al corte G(t) es la cantidad determinada en la prctica; as se tiene que 3 G(t) = M(t).

Es posible efectuar comparaciones tiles del comportamiento de un polmero amorfo, como el poliestireno atctico, con el de materiales relacionados utilizando valores del mdulo de relajacin al corte determinado a un tiempo de 10 s, o sea, G(10).

A bajas temperaturas, 3G(10) es idntico al mdulo de Young. A temperaturas intermedias, el poliestireno isotctico cristalino manifiesta una disminucin gradual de G(10) al aumentar la temperatura. La adicin de una cantidad pequea de enlaces cruzados al poliestireno atctico, entrelaza las cadenas moleculares en una red polimrica con comportamiento de deformacin elastomrica (como la del caucho). La rgidez elstica de un elastmero es 104 veces menor que la de la forma vtrea del mismo polmero.

Comparacin del comportamiento a la deformacin de poliestireno considerando el valor del mdulo de relajacin al corte G(t) a los 10 segundos

Un fluido newtoniano es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo. La curva que muestra la relacin entre el esfuerzo o cizalla contra su tasa de deformacin es lineal y pasa por el origen, es decir, el punto [0,0]. El mejor ejemplo de este tipo de fluidos es el agua en contraposicin al pegamento, la miel o los geles que son ejemplos de fluido no newtoniano.Un buen nmero de fluidos comunes se comportan como fluidos newtonianos bajo condiciones normales de presin y temperatura: el aire, el agua, la gasolina, el vino y algunos aceites minerales.