1

PropiedadesPropiedades yy EnsayosEnsayosMecMecáánicosnicos

Referidos a las diversas formas en que los materiales responden frente a la aplicación de FUERZAS O CARGAS sobre ellos. Estas

respuestas pueden ir desde la deformación elástica, a la deformación plástica y a la

fractura, dependiendo de la naturaleza del material, de la intensidad de la fuerza y de

las condiciones en que ésta es aplicada.

Efecto de fuerzas externasEfecto de fuerzas externasConceptos de esfuerzo y Conceptos de esfuerzo y deformacideformacióónn

Si el input es una fuerza, el output es un desplazamiento deformación (si no hay fractura…)

Si el input es un diferencial de temperatura, el output es un desplazamiento (dilatación)

Componente (geometría, dimensiones)

Material (propiedades)

Input Output

Medio ambiente

2

¿¿CCóómo visualizamos la relacimo visualizamos la relacióón entre el n entre el inputinput y y la geometrla geometríía?a?A travA travéés del concepto de ESFUERZOs del concepto de ESFUERZO::

Se define como la fuerza (aplicada) dividida por Se define como la fuerza (aplicada) dividida por el el áárea de la seccirea de la seccióón recta sobre la cual actn recta sobre la cual actúúa.a.

F

A σ = F / A

Ejemplos de esfuerzosEjemplos de esfuerzos

Tensión uniaxial (tracción)

3

Compresión uniaxial

6

Esfuerzos de corteEsfuerzos de corte

4

7

Esfuerzos en FlexiEsfuerzos en FlexióónnDeflexiDeflexióón eln eláásticastica

Esfuerzo mEsfuerzo mááximoximo

3

34F LE b a

d ×=× × ×

m 2

32áx

F Lb a

s ×=× ×

b

a (espesor)

L

F

E: Módulo elástico material

b

a

DeformaciDeformacióónn––ElEláástica.stica.--PlPláásticastica..Fractura.Fractura.--FrFráágil.gil.--DDúúctilctil..DesgasteDesgaste..

MaterialMaterialDiseDiseñño:o:--FormaForma--TamaTamaññoo--DefectosDefectos

TipoTipoIntensidadIntensidadVelocidadVelocidadRepetitividadRepetitividadLocalizaciLocalizacióónnCombinaciCombinacióónn--Temperatura Temperatura --AmbienteAmbiente

ConsecuenciasConsecuenciasComponenteComponenteEsfuerzo Esfuerzo AplicadoAplicado

5

Variedad en los esfuerzosVariedad en los esfuerzos

Según tipo:• normal/corte• tensión/compresión• uni/multi axial

Según Origen:•Externo.•Interno.

SegSegúún n Velocidad::••EstEstáático.tico.••DinDináámico: mico:

Impacto.Impacto.

CCííclico.clico.

MMóódulos dulos ingenierilesingenierilesMMóódulo de elasticidad o mdulo de elasticidad o móódulo dulo

de de YoungYoung, E. , E. εε = = σσ/E/E

MMóódulo de dulo de PoissonPoisson, , ν ν ν = ν = −−εεyy/ε/εxx

MMóódulo de corte, G dulo de corte, G γγ = = ττ/G/G

6

Ensayos mecEnsayos mecáánicosnicos

TracciTraccióón/Compresin/CompresióónnDurezaDurezaTermofluenciaTermofluencia ((creepcreep))Impacto.Impacto.Fractura rFractura ráápidapidaFractura por FatigaFractura por Fatiga

El ensayo de tracciEl ensayo de traccióónn

7

Probeta tProbeta tíípica de ensayopica de ensayo

Lo

Curva de TracciCurva de Traccióón: n: AleacionAleacion de Aluminiode Aluminio

8

Curva Esfuerzo-Deformación Ingenierilσ

ε

ysσ

UTSmax =σ

Deformación Elástica (reversible)

DeformaciDeformacióón Pln Pláástica (irreversible)stica (irreversible)

fractura

maxf ε=ε

ε=σ E

uε

ParParáámetros Importantesmetros Importantes

E Modulo de elasticidad, da la nociModulo de elasticidad, da la nocióón n de rigidezde rigidez

σys Esfuerzo de fluencia, da la nociEsfuerzo de fluencia, da la nocióón de n de resistencia mecresistencia mecáánica (rango elnica (rango eláástico)stico)

σm Esfuerzo mEsfuerzo mááximo, o UTS, es la ximo, o UTS, es la resistencia mresistencia mááxima del material antes xima del material antes de rupturade ruptura

εf DeformaciDeformacióón a la ruptura, da la idea n a la ruptura, da la idea de ductilidadde ductilidad

9

RelaciRelacióón entre el modulo de elasticidad y la n entre el modulo de elasticidad y la temperatura de fusitemperatura de fusióón de los metalesn de los metales

58.53410W43.42610Mo30.01538Fe29.91453Ni18.11085Cu11.31064Au10.3962Ag10.0660Al6.6650Mg2.0327Pb

Módulo ElásticoX106 (psi)

Temperaturade fusión (ºC)

Metal

0

10

20

30

40

50

60

70

0 1000 2000 3000 4000T [ºC]

E [Mpsi]

10

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103Diamante WC, SiCAl2O3

Cemento Silica

Concreto Grafito Hielo

Tungsteno Cromo, NiquelAcero+Hierro

Cobre Titanio Aluminio Plomo Alkyds

MelamidasPoliestileno

Nylon Epoxicos

Alta densidad Polietileno

Baja densidad

Polipropileno

Gomas

PVC

Espumas

CermetsCFRP’s

Fibra de vidrio GFRP’s

Madera //

Madera ⊥Módulo deYoung (GPa)

Tabla comparativa de MTabla comparativa de Móódulosdulos

16Plomo (Pb)

70Aluminio (Al)

120Titanio (Ti)

130Cobre (Cu)

210Hierro (Fe) (y aceros)

411Tungsteno (W)

E, GPaMaterial

11

Efecto de la temperatura

Esfuerzo de Fluencia

El esfuerzo de fluencia σys es el esfuerzo en que se inicia la deformación no recuperable (plástica). Es, por tanto, el límite entre el comportamiento puramente elástico y otro en el que la deformación se compone de dos partes, una elástica y otra plástica.

La gran mayoría de los componentes que prestan algún tipo de servicio, deben hacerlo en el rango elástico. Para esto se selecciona un material que tenga un alto punto de fluencia y/o se dimensiona para que la fuerza aplicada no produzca deformación plástica.

12

Formas del fenómeno de fluenciaFluencia ContinuaFluencia Continua Fluencia DiscontinuaFluencia Discontinua

Esfuerzo mEsfuerzo mááximo, o UTSximo, o UTS

Es el mEs el mááximo valor del esfuerzo en ximo valor del esfuerzo en un ensayo de tracciun ensayo de traccióón n uniaxialuniaxial, bajo , bajo una condiciuna condicióón de deformacin de deformacióón n uniforme (hasta que se produce la uniforme (hasta que se produce la estricciestriccióón)n)Al igual que el esfuerzo de fluencia, Al igual que el esfuerzo de fluencia, el UTS es un parel UTS es un paráámetro fundamental metro fundamental en diseen diseñño o

13

Esfuerzo admisibleEsfuerzo admisible

Valor arbitrario que garantiza Valor arbitrario que garantiza producir sproducir sóólolo deformaciones deformaciones eleláásticas en un componente (sin sticas en un componente (sin elevadores de tensiones!!)elevadores de tensiones!!)EstEstáá referido a los valores de referido a los valores de fluencia y mfluencia y mááximo de un materialximo de un materialσσadad = = σσysys//αα óó σσadad = UTS/= UTS/ββ

Valores de Valores de σσysys, UTS, , UTS, εεff

3950SiC (fibras)

37520Polietileno

11578470Al 7075 – T6

20476303Al 2024 – T4

14141313784142, T&R, 450 ºC

11175715844142, T&R, 370 ºC

8224016884142, T&R, 205 ºC

6245016204142, T

36440260Acero 1020, laminado

εf %UTS, MPa

σys, MPaMaterial

14

10-1

100

101

102

103

104

105

Diamante

SiC

Al2O3 WC TiC ZrCMgO

Alcalis

Haluros

Hielo

Acero baja Aleación Aleaciones Cobalto AceroInoxidableAleaciones Cobre

Aleaciones Aluminio

Metales puros comerciales

Aleaciones Plomo

Metales ultra puro

Kevlar

Nylon Epoxicos

Poliuretano Polietileno

Gomas

BFRP CFRP

Cemento Reforzado

GFRP’s

Madera //

Madera ⊥

Cemento (no

reforzado)

Esfuerzo de fluencia (MPa)

Efecto del tratamiento tEfecto del tratamiento téérmico en Acerosrmico en Aceros

Templados y Revenidos

σ

ε

Aceros Templados

Acero Recocido

15

Endurecimiento por deformaciEndurecimiento por deformacióónn

ε1

σys

σ1=ε1 e

ε pε+

e1 E ε⋅=σ

pdd

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

εσ Endurecimiento

pordeformación

pεe

ε

Efecto de la temperatura

T ambienteσ

ε

T elevada

16

Formación de estricción

LL ∆+L

σ

σσ >local σεσ =

dd

σMaterial más

Resistente (end.Por deformación)

Nuevo σf

Si σ local < nuevo σf DeformacUniforme

Si σ local > Nuevo σf Inicio de la DeformacLocalizada

Resiliencia

Energía que puede almacenar elmaterial hasta el comienzo de la

deformación plástica.

Resiliencia=σf2/2E

17

Tenacidad

Vinculada al área bajo la curva esfuerzo- deformación total. Da la idea de cuánta energía se requiere (por unidad de volumen) para deformar un material hasta la ruptura.

Ensayo de Dureza

El ensayo de dureza mide la resistencia a la penetración sobre la superficie de un material efectuada por un objeto duro, los ensayos mas comúnmente utilizados son el ensayo Rockwell , Brinell y Vickers

18

Ensayo Dureza (Carga Puntual)Ensayo Dureza (Carga Puntual)

P

Indentador (material duro)

Probeta

α −1 Dureza

Escalas de DurezaEscalas de Dureza

VickersVickersIndentador: PirIndentador: Piráámide de Diamante (rango mide de Diamante (rango amplio)amplio)

RockwelRockwelIndentadorIndentador: : --Cono de Diamante (Escala C)Cono de Diamante (Escala C)

--Esfera de Acero (Escala B)Esfera de Acero (Escala B)-- Otras escalasOtras escalas

BrinellBrinellIndentador esfera de acero / CarburoIndentador esfera de acero / Carburo

19

CONDICIONES DE ENSAYOS DE DUREZA

Rangos de

valores de

Dureza

20

TermofluenciaTermofluencia ((CreepCreep))

σ

ε

t

A bajas A bajas TT°°t

ε

σ

A A TT°° altasaltas

Curva tCurva tíípica (material, P, T)pica (material, P, T)

•

= ssdtd

εε

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−•

⋅⋅= RTQ

nss eA σε

21

Efecto de la TemperaturaEfecto de la Temperatura

Curvas esfuerzoCurvas esfuerzo--tiempo de rupturatiempo de ruptura

22

Parámetro de

Larson-Miller

para hierro

fundido dúctil

LM = T (C + log tr)

Estimación de vida útil en creep

Datos de alta Temperatura, Acero refractarioDatos de alta Temperatura, Acero refractario