Comportamiento Mecánico.ppt [Modo de compatibilidad]

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Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

CIENCIA DE LOS MATERIALESCIENCIA DE LOS MATERIALES20102010

COMPORTAMIENTO MECÁNICOCOMPORTAMIENTO MECÁNICO

Ciencia de los MaterialesIngeniería Industrial

Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Buenos Aires

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COMPORTAMIENTO MECÁNICOCOMPORTAMIENTO MECÁNICODE LOS MATERIALES METÁLICOSDE LOS MATERIALES METÁLICOS

PROPIEDADES MECÁNICAS BÁSICASPROPIEDADES MECÁNICAS BÁSICAS


COMPORTAMIENTO MECÁNICOCOMPORTAMIENTO MECÁNICO

• Se define como comportamiento mecánico, a la respuesta quetiene un material a las solicitaciones mecánicas que se losomete. Este comportamiento se evalúa ó cuantifica medianteuna serie de propiedades que surgen de distintos tipos deensayos.

F F

FF



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• Estas propiedades se denominan genéricamente PropiedadesMecánicas

F F

F

FF

F

TracciónCompresión

Tracción Compresión Flexión Corte Torsión


PROPIEDADES MECÁNICAS BÁSICASPROPIEDADES MECÁNICAS BÁSICAS

• Son el grupo de propiedades más importantes, dado que nopueden ser ignoradas en:

• Aplicaciones en Ingeniería

Diseño Mecánico

Selección de Materiales

• Algunas de estas propiedades se utilizan cuantitativamente en el



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• Algunas de estas propiedades se utilizan cuantitativamente en elcálculo resistencial ó Dimensionamiento (piezas y estructuras) ócomo requerimientos impuestos en las especificaciones que elmaterial debe cumplir. Las principales son:

Tensión de Fluencia

Resistencia a la Tracción

Resistencia a la Fatiga

Materia: Ciencia de los MaterialesFuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14

Comportamiento Mecánico de los Materiales MetálicosMaterial preparado por: Ing. Diego F. Zalcman 1 de 12

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ENSAYO DE TRACCIÓNENSAYO DE TRACCIÓN

• En el ensayo de tracción se somete la probeta a una cargauniaxial

• En general, se controla la velocidad de desplazamiento de unode los cabezales, de manera tal que la carga se incrementa enla medida que el material se endurece



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• Cuando se localiza la deformación (formación de un cuello en laprobeta), se produce un estado complejo de tensiones triaxiales



• Máquina de Ensayos



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• Curva de tracción convencional para un material con zona de fluencia

P = carga uniaxial aplicada

R = P/S0 = tensión convencional

e = ∆l/l0 = deformación convencional

Rm = Pmáx./S0 = resistencia a la tracción

R

Rm

P



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ReL = PeL./S0 = tensión de fluencia

A = ∆lt/l0 = alargamiento

Z = (S0 – Sf )/S0 = reducción de área

e0

ReL

∆l

∆lu∆lt

Alarg. uniforme Estricción



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• Curva de tracción convencional para un material sin zona de fluencia

R

Rp0.2



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Rp0.2 = P0.2/S0 = tensión de fluencia

e0

0.2 % de l0



• Deformación Elástica y Plástica

• Al producirse una solicitación, la influencia de la misma serádeformar la estructura

• Si la solicitación es de baja intensidad, los iones se retiran desu posición, pero al cesar la misma, los iones recuperan suposición inicial (deformación elástica) σ



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posición inicial (deformación elástica)

• Si la solicitación es de alta intensidad, larecuperación no será posible y el sistemaqueda deformado permanentemente(deformación plástica)

σ

εZona ElásticaZona Plástica

∆σ

∆ε

∆σ/∆ε = E



• Curva de tracción convencional y real

σ

Rp

Curva real

R

Rm

σε

Parámetros ingenieriles ó convencionales

R = P/S0 = tensión convencional

e = ∆L/L0 = deformación convencional

Parámetros reales ó verdaderos

σ = P/S = tensión real



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ε0

Rp0.2

0.2 % de L0

Curva convencional

e

ε = ln (L/L0) = deformación real

Relación entre “e” y “ε”

ε = ln (e + 1)



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RESISTENCIA A LA TRACCIÓNRESISTENCIA A LA TRACCIÓN

• Es la resistencia a la deformación plástica. En el caso del ensayo detracción uniaxial se puede definir de tres maneras diferentes

1. Tensión de Fluencia (Rp0.2 ó ReL): tensión necesaria para iniciar ladeformación plástica macroscópica en un policristal. Se mide como ellímite de fluencia inferior (ReL) para los metales que presentan zona defluencia (fluencia discontinua) ó como el límite convencional de fluencia(Rp0.2) para alcanzar una deformación permanente (comúnmente 0.2 %)



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para aquellos que no la presentan

2. Resistencia a la Tracción (Rm): valor de la tensión convencional máxima.No tiene un significado físico, simplemente es una cantidad fácil de medirque da una idea de la resistencia a la deformación del metal cuando sealcanzan grandes deformaciones. Está relacionada con la dureza del metal

3. Resistencia a la deformación: es la tensión necesaria para lograr una ciertadeformación. Se utiliza solo en el campo del trabajado mecánico



• Resistencia Mecánica

• La Resistencia Mecánica es función de:

• Parámetro de Red

• Modelo geométrico

M

N

a1

a2



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• La Resistencia Mecánica es propia de cada metal, dado quetiene una estructura exclusiva

• Si el Parámetro de Red es menor para igualdad de átomosy distribución ó de iones ∴ que la fuerza de repulsión entreátomos ó iones es menor y por lo tanto mayor la resistenciaa cualquier solicitación externa



• Resistencia Mecánica

• A mayor Parámetro de Red ∴ mayor será la Ductilidad

• A mayor Parámetro de Red ∴ menor Resistencia Mecánica

M 21



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• Como a2 > a1 ∴ mayor deformación

N

a1

a2



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DUCTILIDADDUCTILIDAD

• Es la capacidad que tiene un metal para deformarse plásticamente, endeterminadas condiciones (estado de tensión, veloc. de deformación ytemperatura)

• En cualquier ensayo que involucre tensiones de tracción, la ductilidadpuede definirse:

• en términos de la deformación plástica máxima hasta alcanzar la



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rotura (ductilidad a la rotura)

• La ductilidad a la rotura se mide como el alargamiento a larotura ó por medio dela reducción de área

• en términos de la deformación plástica máxima antes de que selocalice la deformación (ductilidad uniforme)

• La ductilidad uniforme se representa mediante el alargamientouniforme


TENACIDADTENACIDAD

• Es la energía que absorbe el metal durante la deformaciónplástica y durante el proceso de fractura

• Un material tenaz es el que al mismo tiempo poseeresistencia a la deformación y tiene gran capacidad dedeformación

σAlta resistencia, baja ductilidad y



14ε

0

Alta resistencia, alta ductilidad y alta tenacidad

Baja resistencia, alta ductilidad y baja tenacidad

baja ductilidad y baja tenacidad


TENACIDADTENACIDAD

• La tenacidad se puede definir y medir de tres maneras:

1. Tenacidad Estática: es la energía absorbida por la probetadurante el ensayo de tracción uniaxial y hasta la fractura. Estádada por el área bajo la curva de tracción real. Es difícil demedir y no tiene mucha aplicación en el diseño mecánico, laselección ó especificación de materiales, dado que las



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condiciones de estado de tensión σ

ε0

y velocidad de deformación enlas que se mide esta tenacidadsuelen ser muy diferentes a lasde la mayoría de las piezas enservicio. Solo es útil, comoconcepto de tenacidad

Tenacidad



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TENACIDADTENACIDAD

2. Tenacidad a la Entalla: es la energía absorbida en un ensayo deflexión por impacto en una probeta entallada (Charpy ó Izod)

• El ensayo consiste en someter al material a condicionesseveras que promueven la fractura frágil. Se expresa enJoules

3 Tenacidad a la Fractura ó Fractotenacidad: es un concepto de la



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3. Tenacidad a la Fractura ó Fractotenacidad: es un concepto de laMecánica de Fractura (fuera del alcance de la materia)


TENACIDAD A LA ENTALLA Ó AL IMPACTOTENACIDAD A LA ENTALLA Ó AL IMPACTOENSAYO DE CHARPYENSAYO DE CHARPY



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Res

ist.

al Im

pac

to [

J]

Temp. [°C]0

Frágil Dúctil

Temp. de Transición

0-40-80


RIGIDEZRIGIDEZ

• Se define a la rigidez como la resistencia a la deformación elástica

• La rigidez intrínseca del material se representa mediante el módulode elasticidad longitudinal E (módulo de Young) ó el módulo elásticotransversal ó de corte G (módulo de Coulomb)

• Dentro de un determinado grupo de aleaciones, éstas propiedadeselásticas, son casi insensibles a los cambios en la microestructura



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(deformación plástica, trat. térmicos, etc.)

• La rigidez de una pieza ó estructura mecánica, depende de la rigidezintrínseca del material y de la geometría ó estructura mecánica(rigidez estructural)

• Si se debe aumentar la rigidez, es mucho más lo que se puede hacercambiando el diseño de la pieza ó estructura; que eligiendo un metaldiferente



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MÉTODOS DE DUREZAMÉTODOS DE DUREZA• Dureza

• Es la resistencia que opone un cuerpo a ser penetrado ó rayado por otro más duro

• En el caso de los metales, la dureza está relacionada con la resistencia a la deformación plástica

• Clasificación



Clasificación

Ensayos Estáticos de Penetración

BrinellRockwellVickers

Ensayos de Rebote (dinámico) Shore

Ensayos de Rayado Mohs


MÉTODOS DE DUREZAMÉTODOS DE DUREZA

• Ensayos Estáticos de Penetración: se fuerza un indentador durocontra el material a ensayar produciendo una huella ó unaimpronta. La relación entre la fuerza aplicada y el área ó laprofundidad de la impronta, es una medida de la dureza delmaterial.

• Ensayos de Rebote: un objeto de dimensiones y masa



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• Ensayos de Rebote: un objeto de dimensiones y masaconocidos (bolilla), se hace rebotar contra el material aensayar. La altura del rebote, es una medida de la dureza delmaterial

• Ensayos de Rayado: se establecen escalas, donde un materiales capaz de rayar a los que están por debajo de la escala.


MÉTODOS DE DUREZAMÉTODOS DE DUREZA



Ejemplo: Si el número de dureza Brinell es de 350, determinado con una bolilla de diámetroD = 5 mm, con una carga F = 750 kgf, mantenida durante 20 s, se indicará de la siguientemanera: 350 HB 5/750/20



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EQUIPOS PARA ENSAYOS DE DUREZAEQUIPOS PARA ENSAYOS DE DUREZA




RELACIÓN ENTRE LA DUREZA Y LA RESISTENCIA MECÁNICARELACIÓN ENTRE LA DUREZA Y LA RESISTENCIA MECÁNICA

• Dado que tanto la resistencia mecánica como la dureza indican laresistencia a la deformación plástica de un metal, parece lógico queexista una cierta correlación

• En el caso de algunos grupos de materiales metálicos, ésta correlaciónes muy confiable, pero para otros no tanto

• En el caso de los aceros ferríticos (aceros al Carbono sin alear), enl i t d t lú i l b i ió



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cualquier estado metalúrgico, se cumple con muy buena aproximación:

HB Rm [Kg/mm2] =

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Cúbica Simple Cúbica Centrada en el Cuerpo

Cúbica Centrada en las Caras


COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO Y TÉRMICOCOMPORTAMIENTO ELÉCTRICO Y TÉRMICO



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DE LOS MATERIALES METÁLICOSDE LOS MATERIALES METÁLICOS



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COMPORTAMIENTO TÉRMICOCOMPORTAMIENTO TÉRMICO

• Se define como comportamiento térmico, a la respuesta quetiene un material al ser calentado

• Propiedades Térmicas

Capacidad calorífica

Dilatación térmica



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Dilatación térmica

Conductividad térmica



• Capacidad Calorífica

• La capacidad calorífica es la propiedad que indica lacapacidad de un material de absorber calor de su entorno;representa la cantidad de energía necesaria para aumentarla temperatura en una unidad



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Donde:

dQ = energía necesaria para producir un cambio dT en la temp.

____=CdQ

dT



• Dilatación Térmica

• La mayoría de los materiales sólidos se expanden cuandoson calentados y se contraen cuando son enfriados. Elcambio de longitud con la temperatura, puede expresarsecomo:

Donde:

∆L i ió d l it d (L L )



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• El coeficiente lineal de dilatación térmica, indica el grado dedilatación que experimenta un material cuando escalentado

____=α.∆T∆L

L0

∆L = variación de longitud (Lf – Li)

∆T = variación de temperatura (Tf – Ti)

L0 = longitud inicial

α = coefic. lineal de dilatación térmica



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• Conductividad Térmica

• La conductividad térmica K, es una medida de la intensidada la que el calor se transmite a través del material. Laconductividad relaciona el calor Q transmitido a través deuna determinada sección A por segundo, cuando existe ungradiente de temperatura ∆T/∆x



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Q

∆x

∆T

A∆T= K ∆x

Q A



• A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, sutemperatura y sus dimensiones aumentan

• Si se continua entregando calor, la energía puede transportarsehacia las regiones más frías de la muestra si existe ungradiente de temperatura, con lo cual, el sistema se hacealtamente dinámico



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Q> a

Sale de la estructura

• Si continuamos entregando calor,finalmente, provocaremos la fusiónde la muestra


COMPORTAMIENTO ELÉCTRICOCOMPORTAMIENTO ELÉCTRICO

• Conductividad Eléctrica

• Algunas veces se utiliza la conductividad eléctrica (σ), para

especificar el carácter eléctrico de un material. Se definecomo el recíproco de la resistividad

Donde:

σ = conductividad eléctrica1 J



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• La resistividad eléctrica (ρ) es una propiedad intrínseca decada material

____=ρ R.AL

ρ = resistividad eléctrica

J = densidad de corriente

E = intens. de campo eléctrico

R = resistencia eléctrica

L = longitud del conductor

A = sección transv. del conductor

____=σ 1ρ

____=Rρ.L

A

____=σ JE

⇒



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• Es una medida de la facilidad con que la corriente eléctricapasa a través de una unidad de volumen del material

• Efecto de la Temperatura

• Cuando se eleva la temperatura de un metal, la energía



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Cuando se eleva la temperatura de un metal, la energíatérmica provoca la vibración de lo iones, que interactúancon los electrones

• Al aumentar la temp. ⇒ la movilidad de los electronesdisminuye ∴ la resistividad aumenta (los electrones tienen

menor capacidad de conducción que actúan como vehículo de transportede cargas, que encuentran cada vez más dificultades para viajar a travésde la estructura cada vez más desordenada)




Movimiento de un electrón a t a és de n c istal pe fecto

ElectrónElectrón

Movimiento de un electrón a t é d i t l l t d



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través de un cristal perfecto través de un cristal calentado a alta temperatura

Electrón

Movimiento de un electrón a través de un cristal que

contiene defectos en la red



• Resistencia Eléctrica

• Es una medida de la dificultad del paso de la corrienteeléctrica, a través de un volumen de material ó la oposiciónde la estructura al paso de los electrones

• La resistencia aumenta con la longitud y aumenta conformedi i l á d l ió l d l i l



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disminuye el área de la sección transversal del material através del cual pasa la corriente

____=Rρ.L

A



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• Superconductividad Eléctrica

• Cuando algunos cristales perfectos, son enfriados a unatemperatura de 0 °K, los mismos pueden comportarsecomo superconductores, dado que la resistividad se hacenula y la corriente fluye indefinidamente en el material,aumentando la conductividad (máxima)



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T = 0 °K



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