Propiedades de los materiales

Propiedades mecánicas

• Dureza: es la resistencia de un cuerpo a ser roto por otro, un cuerpo es tanto más

duro cuanto mayor tenga que ser la fuerza que lo rompa, la propiedad opuesta a

duro es blando, el diamante es duro porque es difícil de mellar o rayar.

• Blando: es la facilidad con la que un cuerpo se mella por otro, un cuerpo es tanto

más blando cuando la fuerza necesaria para mellarlo es tanto más pequeña, la

propiedad opuesta a blando es duro, el yeso es blando porque se raya con

facilidad.

• Tenacidad: la tenacidad es la resistencia que opone un cuerpo a romperse por un

impacto, un cuerpo es tanto más tenaz cuando el choque necesario para romperlo

tenga que más fuerte, la propiedad opuesta a tenaz es frágil, ejemplo, la madera

es tenaz, dado que es necesario un choque muy violento para romperla.

• Fragilidad: es la facilidad con la que un cuerpo se rompe por un choque, es la

propiedad opuesta a tenacidad, el vidrio es frágil porque con un pequeño golpe

se rompe.

• Elasticidad: la elasticidad es la capacidad de los cuerpos de recuperar su forma

original tras una deformación, un cuerpo elástico se deforma cuando se ejerce

una fuerza sobre él, pero cuando esa fuerza desaparece, el cuerpo recupera su

forma original, la propiedad opuesta a elasticidad es plasticidad, la goma es

elástica si se ejerce una fuerza, por ejemplo sobre una pelota de goma, esta se

deforma, cuando deja de ejercer la fuerza, la pelota recupera su forma original.

• Plasticidad: la plasticidad es la propiedad del cuerpo por la que una deformación

se hace permanente, si sobre un cuerpo plástico ejercemos una fuerza este se

deforma, cuando la fuerza desaparece la deformación permanece, la propiedad

opuesta a plasticidad es elasticidad, ejemplo la arcilla fresca es plástica, si se

aplica una fuerza sobre ella se deforma, cuando deja de ejercer la fuerza la

deformación permanece.

• Maleabilidad: es la propiedad de la materia, que junto a la ductilidad presentan

los cuerpos a ser labrados por deformación. Se diferencia de aquélla en que

mientras la ductilidad se refiere a la obtención de hilos, la maleabilidad permite

la obtención de delgadas láminas de material sin que éste se rompa, teniendo en

común que no existe ningún método para cuantificarlas.

El elemento conocido más maleable hasta la fecha es el oro, que se puede malear hasta

láminas de diezmilésima de milímetro de espesor. También presenta esta característica,

en menor medida, el aluminio habiéndose popularizado el papel de aluminio como

envoltorio conservante para alimentos así como en la fabricación de tetra-brick. Todo

aquello que se puede reducir a láminas.

• Ductilidad: La ductilidad es la propiedad que presentan algunos metales y

aleaciones cuando, bajo la acción de una fuerza, pueden estirarse sin romperse

permitiendo obtener alambres o hilos. A los metales que presentan esta

propiedad se les denomina dúctiles.

En el ámbito de la metalurgia se entiende por metal dúctil aquel que sufre grandes

deformaciones antes de romperse, siendo el opuesto al metal frágil, que se rompe sin

apenas deformación.

No debe confundirse dúctil con blando, ya que la ductilidad es una propiedad que como

tal se manifiesta una vez que el material está soportando una fuerza considerable; esto

es, mientras la carga sea pequeña, la deformación también lo será, pero alcanzado cierto

punto el material cede, deformándose en mucha mayor medida de lo que lo había hecho

hasta entonces pero sin llegar a romperse.

En un ensayo de tracción, los materiales dúctiles presentan una fase de fluencia

caracterizada por una gran deformación sin apenas incremento de la carga.

Propiedades ópticas

• Opaco - Impide el paso a la luz

• Traslucido - Deja pasar la luz, pero que no deja ver nítidamente los objetos.

• Transparente - Dicho de un cuerpo: A través del cual pueden verse los objetos

claramente.

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CAPITULO 4 - PROPIEDADES MECÁNICAS

Se denomina propiedades mecánicas a la forma en que los materiales responden a la aplicación de fuerzas. Este comportamiento depende del tipo de enlace interatómico, la disposición de los átomos o moléculas en estructuras cristalinas, el tipo y número de imperfecciones (que están siempre presentes en los sólidos) y de la microestructura granular.

Según el mecanismo que opera en su deformación bajo las cargas aplicadas, los materiales de ingeniería se pueden clasificar en tres grupos principales: viscoelásticos, como el hormigón, elásticos, como el caucho, y elastoplásticos, entre los que se encuentra el importante grupo de materiales metálicos estructurales.

Como la selección del material para una aplicación específica depende de sus propiedades mecánicas, es importante conocer algunos de los ensayos empleados para medirlas y entender el significado de la información obtenida con ellos. El ensayo de tracción es quizás el más útil de todos los métodos para evaluar las propiedades mecánicas de los materiales metálicos. Determina su resistencia a la aplicación gradual de una fuerza de tracción, en una máquina de ensayos como la de la figura 1. La probeta, de forma y dimensiones generalmente normalizadas, se fija a la máquina mediante mordazas y se la somete a una fuerza de tracción uniaxial F que va aumentando en forma progresiva hasta la rotura. El alargamiento que se va produciendo entre las marcas de calibración, se mide con un extensómetro fijado a la probeta.

Para que se cumpla la condición de uniaxialidad, la probeta debe estar bien alineada con respecto a las mordazas. Esto es particularmente importante en materiales frágiles.

Fig. 1: Esquema de máquina de Fig. 2: Curva característica de ensayo ensayo de tracción de tracción

Los resultados del ensayo se grafican en una curva carga – alargamiento (figura 2), cuya ordenada es la fuerza aplicada en las mordazas, F, y la abscisa es el alargamiento expresado como ∆L = L – Lo, siendo Lo la longitud entre dos puntos de la probeta, marcados dentro de la longitud calibrada antes de aplicar la carga (longitud de referencia inicial) y L la distancia entre los mismos puntos durante el ensayo. La forma de la curva así obtenida depende del material ensayado, la historia de su procesamiento y la temperatura a la que se realiza el ensayo.

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Para independizar los resultados de la geometría de la probeta se grafica en abscisas ∆L/Lo = ε (deformación específica) y en ordenadas F/So = σ (tensión). So es el área de la sección transversal inicial de la probeta. Como Lo y So son valores constantes, la forma de la curva σ - ε será la misma que F-∆L, difiriendo sólo en las escalas y en las unidades. 4.1 Deformación elástica y plástica

Cuando un material de ingeniería está sujeto a fuerzas, como las que normalmente imponen las condiciones de servicio, sus átomos se desplazan de sus posiciones de equilibrio. Ese desplazamiento constituye una deformación. Si una probeta metálica sometida a una fuerza de tracción uniaxial, se deforma y vuelve a sus dimensiones originales cuando la fuerza cesa, se dice que el metal ha experimentado una deformación elástica ya que los átomos pueden recuperar sus posiciones de equilibrio (Fig. 3 a).

Se define la elasticidad como la propiedad que permite a un material recuperar su forma y

dimensiones originales, después de retirada la fuerza de deformación.

Si un material sufre una deformación que excede la capacidad de los átomos de regresar a sus posi-ciones de equilibrio, ésta será permanente, y se denomina deformación plástica (Fig. 3 b). La tensión límite por encima de la cual el material ya no se comporta elásticamente constituye el límite elástico. Si se sobrepasa el límite elástico, el cuerpo retiene cierta deformación permanente cuando se elimina la carga. Mientras de deforma plásticamente el metal se va haciendo más resistente, por lo que se debe aumentar continuamente la carga para que siga deformando. El valor máximo de carga aplicada, dividido por el área de la sección transversal inicial de la probeta, es la resistencia a la tracción. En el caso de los metales dúctiles, a partir de allí el diámetro de la probeta disminuye rápidamente, por lo que se hace menor la carga necesaria para que prosiga la deformación hasta la rotura. Como la tensión convencional se refiere al área de la sección transversal inicial de la probeta, ésta disminuye también desde el máximo hasta la rotura.

En la curva de ensayo de tracción de la figura 2, típica de un material dúctil como el aluminio, se pueden reconocer tres zonas indicadas como I, II y III.

La zona I es una recta; la deformación que sufre la probeta es elástica y se cumple la ley de Hooke. La zona II tiene una pendiente positiva que va disminuyendo hasta llegar a cero en el máximo;

corresponde al período de deformación plástica, el esfuerzo que se requiere para proseguir la deformación se incrementa en forma continua. Este proceso se denomina endurecimiento por trabajo en frío o endurecimiento por deformación. Para una tensión dentro de la zona II, por ejemplo σ1, (figura 4), la probeta sufre una deformación total ε’1. Al eliminar la carga parte de la deformación desaparece, es la deformación elástica que se recupera, quedando un alargamiento permanente o plástico, ε1. Para volver a deformar plásticamente esa probeta, se necesita superar el valor de σ1. Inicialmente el material comenzaba a deformarse plásticamente a una tensión σF; una vez que ha sido deformado comienza a fluir a una tensión σ1 > σF. En otras palabras, el material se ha endurecido, aumentando su resistencia a la deformación plástica.

a b

Fig. 3: Deformación elástica y plástica en un metal

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Fig. 4: Comportamiento elastoplástico Fig. 5: Alargamiento hasta rotura

El efecto de endurecimiento disminuye al progresar la deformación. Pasado el máximo de la curva σ -

ε (zona III de pendiente negativa), se necesita menor carga para deformar la probeta. La razón de esto no es la pérdida de resistencia del material, sino la aparición de un fenómeno llamado estricción, cuyo origen es el siguiente. Durante la deformación plástica el material aumenta su resistencia a la tracción, mientras va progresivamente disminuyendo su sección transversal pues la deformación se produce a volumen constante. La reducción de la sección es uniforme en toda la longitud de la muestra, hasta que en algún punto de la probeta se presenta una inestabilidad creándose un estado complejo de tensiones, que ya deja de ser uniaxial, y entonces la deformación plástica se concentra en esa región (figura 5). De esta forma se produce la disminución localizada de la sección con la consiguiente disminución de la carga necesaria para seguir deformando la probeta. Así, se precipita la rotura, por separación física de los planos cristalinos, cuando el esfuerzo externo llega a ser superior, en alguno o algunos de los granos, al valor del enlace metálico. Los valores característicos que se obtienen de la curva del ensayo de tracción y que describen el comportamiento mecánico de un material metálico, son el límite elástico y la resistencia a la tracción, parámetros de resistencia mecánica; el alargamiento porcentual de rotura y la estricción que informan sobre la ductilidad, y el módulo de elasticidad, que indica la resistencia que opone el material a las deformaciones elásticas. 4.1.1 Módulo de elasticidad

Para la mayor parte de los materiales metálicos, por debajo del límite elástico el alargamiento es proporcional a la carga. Esta relación es conocida como ley de Hooke, y se expresa correctamente diciendo que las tensiones son proporcionales a las deformaciones. Sin embargo, no debe pensarse que en todos los materiales que se comportan elásticamente la relación entre carga y alargamiento es necesariamente lineal. El caucho es un ejemplo de material que muestra una relación no lineal entre carga y alargamiento y que satisface a la definición de material elástico.

La ley de Hooke establece que la relación entre tensión y deformación es una constante característica del material, que se conoce como módulo de elasticidad y es la pendiente de la curva tensión-deformación en la región elástica.

Módulo de elasticidad = E = σ / ε donde

LoLoL

LoL −=

∆=ε

SoF

=σ

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E es una medida de la rigidez de un material tecnológico. Cuanto mayor sea el módulo, más pequeña será Ia deformación elástica resultante de la aplicación de una carga. Un material rígido, con un módulo de elasticidad alto, mantiene su tamaño y forma al ser sometido a una carga dentro del período elástico. Este parámetro es importante en diseño, en especial al calcular los desplazamientos y deformaciones permisibles de los componentes mecánicos o de las estructuras. Muchas estructuras no están limitadas por la resistencia sino por el módulo; esto es, no requieren de un material más resistente pero sí con módulo o rigidez más alto. Ellas no fallarían si se usaran materiales con módulos menores, pero es probable que las deformaciones sean excesivas para su funcionamiento.

En la tabla siguiente se dan valores de E de algunos materiales tecnológicos. Se observa que el titanio es cerca de 1½ veces más rígido que el aluminio, mientras que el acero es aproximadamente 3 veces más rígido.

Material Módulo elástico

E (GPa)

Aleaciones de aluminio 72 Aleaciones de cobre 110 Acero al carbono y de baja aleación 206 Acero inoxidable 18-8 193 Titanio 110 Plomo 21 Magnesio 48 Níquel 209 Porcelana alumínica 366 Grafito 9 Diamante 1035 Poliestireno 3 Vidrio pirex 69

El módulo de elasticidad es una propiedad insensible a la estructura, pero sensible a la temperatura.

A medida que se incrementa la temperatura, disminuye E, por lo que se reduce la rigidez de un material. Esto se debe a una relación inversa entre el módulo y las distancias interatómicas en los metales: cuando se incrementa la temperatura, aumenta la separación de equilibrio ro y E disminuye en forma gradual. 4.1.2 Límite elástico

El límite elástico de un material de ingeniería es la tensión más alta que éste puede soportar sin que experimente ninguna deformación permanente. Convencionalmente se lo define como la carga que producirá una pequeña deformación permanente previamente convenida, dividido por la sección inicial de la probeta. A causa de las dificultades prácticas que existen para determinar el verdadero límite elástico, ese valor convencional es el parámetro preferido en ingeniería para expresar el comienzo de la deformación plástica. En general, en las especificaciones técnicas se conviene en definirlo como la tensión que produce una deformación permanente del 0,2% de la longitud inicial de la probeta. Para su determinación, se traza una paralela a la porción rectilínea de la curva tensión-deformación, desplazada 0.002 mm/mm respecto del origen. El limite elástico para la deformación permanente de 0.2% es aquel donde la recta trazada corta a la curva tensión –deformación (Figura 6).

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Fig. 6: Determinación del límite Fig. 7: Límite de fluencia elástico convencional.

Límite de fluencia Algunos metales, particularmente el acero de bajo carbono, en lugar de tener una transición gradual desde el comportamiento elástico al plástico, tal como se mostró en la figura 2, presentan el fenómeno de fluencia, como puede observarse en el diagrama tensión-deformación de la figura 7.

La carga aumenta uniformemente con la deformación elástica, luego desciende con rapidez, fluctúa alrededor de un valor aproximadamente constante y vuelve nuevamente a elevarse con deformación posterior. Esto significa que para comenzar la deformación plástica se necesita una tensión mayor que para continuar la misma.

La tensión a la que se produce el descenso brusco se denomina límite de fluencia superior. La tensión aproximadamente constante es el límite de fluencia inferior.

Normalmente, este fenómeno se puede asociar con Ia presencia de pequeñas cantidades de impurezas intersticiales o de sustitución. Así, por ej., se ha demostrado que al eliminar casi totalmente el carbono y el nitrógeno de los aceros desaparece el período de fluencia. No obstante, se precisa sólo 0,001 % de cualquiera de estos elementos para que reaparezca. 4.1.3 Resistencia a la tracción

La resistencia a la tracción es el cociente obtenido de dividir la carga máxima por la sección transversal inicial de la probeta.

SoFmáxRm =

No obstante ser el valor citado con más frecuencia en los resultados de un ensayo de tracción, carece

prácticamente de significado con relación a la resistencia mecánica de un metal. Durante muchos años la resistencia mecánica de las piezas se determinaba a partir de la resistencia a la tracción, convenientemente reducida por un factor de seguridad. La tendencia actual se orienta hacia el intento más racional de fundamentar el diseño estático de los metales dúctiles con el límite elástico. Sin embargo, y a causa de la práctica mantenida durante tanto tiempo, la resistencia a la tracción se ha convertido en una propiedad muy familiar y, como tal, es una forma muy útil de identificación de un material, del mismo modo que la composición química sirve para identificar una aleación. Además, como la resistencia mecánica a la tracción

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es fácil de determinar, y es una propiedad muy reproducible, resulta útil para las especificaciones y para el control de calidad de un producto. 4.1.4 Alargamiento porcentual de rotura

Como ya se indicó, antes de comenzar el ensayo, la probeta es marcada con dos puntos que

indicarán su longitud inicial Lo. Una vez rota por tracción, se unen los dos trozos y se vuelve a medir la distancia entre esos puntos. Con el valor así obtenido se determina el alargamiento porcentual de rotura

100% ⋅−

=LoLoLuA

Lo = longitud de referencia inicial – distancia entre puntos Lu = longitud final – distancia entre puntos luego de la rotura 4.1.5 Estricción

El diámetro de la barra también se ha reducido puesto que el volumen permanece constante. La estricción es la relación existente entre la disminución del área de la sección transversal de la probeta después de la fractura y la superficie original, expresada en tantos por ciento

100% ⋅−

=SoSuSoZ

So = área de la sección inicial Su = área mínima de la sección final luego de la rotura

No hay métodos cuantitativos para determinar el alargamiento o la estricción mínimos que debe tener un material para una aplicación determinada. No obstante, estos valores pueden proporcionar indicaciones cualitativas sobre la conformabilidad de un metal. Una estricción muy acusada indica la capacidad del metal para soportar una gran deformación sin romperse. Es el parámetro más sensible a la estructura que puede medirse en el ensayo de tracción. Por tanto, es utilizado como una indicación de la calidad del material. La disminución en el valor de la estricción por debajo de un nivel especificado que la experiencia señala como indicativo de buen comportamiento en servicio, es una advertencia de que la calidad es deficiente. 4.1.6 Comportamientos dúctil y frágil

El comportamiento general de los materiales bajo carga se puede calificar como dúctil o frágil según muestre o no capacidad para sufrir deformación plástica. Un material completamente frágil romperá casi en el límite elástico.

Es muy importante señalar que la fragilidad no es una propiedad absoluta de un material. El wolframio es dúctil a elevada temperatura, y frágil a temperatura ambiente. Un metal dúctil a temperatura ambiente, puede fragilizarse por la presencia de tensiones, temperaturas bajas, elevadas velocidades de carga o por el efecto de agentes enfragilizadores tales como el hidrógeno.

La forma de la fractura dúctil producida tras la deformación plástica, suele ser de copa y cono (figura 8). Las fracturas sin deformación previa (y por lo tanto también sin estricción), típicas de materiales frágiles, que no absorben energía antes de romper, son macroscópicamente brillantes y cristalinas (figura 9). La figura 10 presenta el comportamiento en tracción de diversos metales y aleaciones.

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Fig. 8: Fractura en copa y cono Fig. 9: Fractura frágil

Fig. 10: Curvas tensión- deformación de

distintos metales y aleaciones 4.1.7 Plasticidad y ductilidad

La diferencia que existe entre estas dos propiedades, a pesar de que ambas suelen definirse como la capacidad de un metal para la deformación plástica, es que la ductilidad es la capacidad de deformación y tiene la acepción de cantidad. En la plasticidad, dicha capacidad se refiere a la aptitud o facultad para soportar efectos triaxiales y enfragilizadores.

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La ductilidad mide el grado de deformación que un material puede soportar sin romperse. Es importante para diseñadores y fabricantes. El diseñador de un componente preferirá un material que presente al menos cierta ductilidad, de manera que si el esfuerzo aplicado es demasiado alto, el componente se deforme plásticamente antes de romperse.

Un fabricante deseará un material dúctil que le permita producir piezas de formas complicadas sin romperse durante el proceso de fabricación. 4.1.8 Tenacidad

La tenacidad de un material es su capacidad para absorber energía durante la deformación. Es un concepto comúnmente utilizado, pero difícil de definir y medir. Una forma de evaluarla es

considerar el área total que queda bajo la curva tensión-deformación. Esta superficie es una indicación del trabajo total, por unidad de volumen, que puede realizarse sobre el material sin que se produzca la rotura.

4.1.9 Curva real de tensión – deformación La curva usual de tensión - deformación convencional o tecnológica, no proporciona información real

respecto a las propiedades del material porque está basada en las dimensiones iniciales de la probeta y estas van cambiando constantemente durante el ensayo. Realmente, el metal continúa endureciéndose por deformación hasta que se produce la fractura, de modo que también debería aumentar la tensión requerida para producir mayor deformación.

Si se usa la tensión real, basada en el área instantánea de la sección transversal de la probeta, se

encuentra que la curva tensión-deformación asciende de modo continuo hasta producirse Ia rotura, como puede verse en la figura 12. Si la medida de la deformación está también basada en medidas instantáneas, Ia curva obtenida se conoce como curva real de tensión - deformación.

La figura 11 muestra curvas tensión-deformación para materiales de alta y baja tenacidad. El acero para resortes, con alto contenido de carbono, tiene un límite elástico y una resistencia a la tracción más elevados que el acero de construcción con contenido bajo o medio de carbono. El acero de construcción es más dúctil y tiene un alargamiento total mayor. El área bajo la curva es mayor en el acero de construcción y, por lo tanto, es más tenaz. Esto indica que la tenacidad es un parámetro que comprende la resistencia mecánica y la ductilidad. Fig. 11: Determinación de la tenacidad

Fig. 12: Relación entre el diagrama tensión real-deformación real y el diagrama tensión-deformación de uso en ingeniería

Ensayos con materiales

Los materiales de interés tecnológico se someten a una variedad de ensayos para conocer sus propiedades. Se simulan las condiciones de trabajo real y su estudia su aplicación.

Según la rigurosidad del ensayo, pueden ser:

a) Ensayos científicos: De gran precisión, fidelidad y sensibilidad. Tratan de extraer valores de ciertas magnitudes físicas. Ej: densidad.

b) Ensayos tecnológicos: Se utilizan para comprobar si las propiedades de un determinado material son adecuadas para una cierta utilidad. Son rápidos y simples.

Según la naturaleza del ensayo...

a) Ensayos químicos: Para conocer la composición química (cualitativa y cuantitativa) así como su comportamiento ante agentes químicos.

b) Ensayos físicos: Se trata de determinar propiedades físicas (densidad, conductividad eléctrica, …)

c) Ensayos metalográficos: Consiste en analizar la estructura interna del material al microscopio.

d) Ensayos mecánicos: Determina la resistencia y elasticidad material cuando se somete a diferentes esfuerzos (tracción, compresión, flexión,...)

Según la utilidad de la pieza

a) Ensayos destructivos: Los materiales sometidos a ensayo sufren rotura o daño en su estructura.

b) Ensayos no destructivos: No se daña la estructura ni sufre deformación, aunque se analizan los defectos que puedan ocasionarse.

Deformación elástica y plástica

Un material sometido a una tensión (fuerza) produce una deformación del mismo. Si al cesar la fuerza el material vuelve a sus dimensiones primitivas, diremos que ha experimentado una deformación elástica. Si la deformación es tal que no recupera por completo sus medidas originales es una deformación plástica.

Ensayo de traccióna) Esfuerzo y deformación.

El ensayo de tracción es uno de los más importantes para determinar las propiedades mecánicas de los materiales.

El ensayo consiste en someter una pieza de forma cilíndrica o prismática de dimensiones normalizadas (estándar) a un esfuerzo de tracción continuo (tendencia a estirar el material). Esta pieza se llama probeta.

Consideremos una probeta de longitud lo y una sección Ao sometida a una fuerza F norma de tracción (perpendicular a la sección de la probeta).

Se define esfuerzo o tensión (σ) como la fuerza aplicada a la probeta por unidad de sección transversal Ao

σ=FAo

Sus unidades en el Sistema Internacional son N

m2 = pascal

Supongamos que durante el ensayo la varilla se alargó una longitud l

Δl = l – losiendo l = longitud final de la probetay lo = longitud inicial de la probeta

Definimos deformación o alargamiento unitario (ε) de la probeta como el cociente entre el cambio de longitud o alargamiento experimentado y su longitud inicial.

ε=l−lolo

=Δll o

No tiene unidades

A veces se utiliza el porcentaje de alargamiento.

% deformación = ε (%) = Δll o⋅100

Análisis de un diagrama de deformación

Supongamos una probeta sometida a tracción cuyos resultados se representan en una gráfica. En abscisas la elongación o alargamiento ( Δl) y en ordenadas la fuerza aplicada (F) que provoca la deformación.

Cada material tiene una gráfica distinta porque su comportamiento es distinto.En general hay dos zonas

• En la primera la deformación es proporcional a la tensión de tracción.• En la segunda, a pequeñas variaciones de tensión se producen grandes

deformaciones.

Esta información es útil, pero no es práctica y se utilizan otras magnitudes.

En abscisas, la deformación es ε = Δllo

En ordenadas, al tensión o esfuerzo

siendo Ao la sección de la probeta en cm2 y σ la tensión en la sección transversal en kp/cm2

Un material presenta dos zonas en cuanto a su comportamiento ante un esfuerzo de tracción:

1. Zona elástica (OE): Se caracteriza porque al cesar las tensiones aplicadas, los materiales recuperan su longitud inicial (lo)

2. Zona plástica (ES): Se ha rebasado la tensión del límite elástico y, aunque dejemos de aplicar tensiones de σε tracción, el material ya no recupera su

su longitud original y será mayor que lo

En la zona elástica (OE) hay, a su vez, dos zonas:

1. Zona de proporcionalidad (OP): En la gráfica es una línea recta , es decir, el alargamiento unitario (ε) es proporcional a la tensión ejercida (σ).

σ = constante · ε

σ=FAo

ε

σσ

σε

La constante se representa por la letra E y se llama módulo de elasticidad

longitudinal o módulo de Young. En el sistema internacional, sus unidades son N

m2

2. Zona no proporcional (PE): El material se comporta de forma elástica, pero no existe una relación proporcional entre tensión y deformación.

En la zona plástica (BE) hay, a su vez, otras dos zonas:

1.Zona de deformación plástica uniforme o zona de límite de rotura (ER): Se consiguen grandes alargamientos con un pequeño incremento de la tensión. En el punto D existe el límite de rotura y la tensión en ese punto se llama tensión de rotura ( σ D). A partir de este punto, la probeta se considera rota, aunque físicamente no lo esté. Visita el siguiente enlace

2.Zona de rotura o zona de estricción o zona de deformación plástica localizada (RS): Las deformaciones son localizadas y, aunque disminuya la tensión, el material se deforma hasta la rotura. En el punto D, la probeta se ha fracturado. La sección de la probeta se reduce drásticamente.

Esta curva varía de un material a otro, e incluso, otros materiales presentan curvas distintas (acero).

En el acero existe una zona por encima del límite elástico en el que se da una deformación apreciable sin que varíe la tensión aplicada. Este fenómeno es la fluencia y el punto donde comienza a manifestarse el fenómeno es la tensión de fluencia. Zona (EF).

Una vez definida la curva de tracción, veamos algunas definiciones

a) Límite de elasticidad o límite elástico (σE): La tensión a partir de la cual las deformaciones dejan de ser reversibles, es decir, la probeta no recuperará su forma inicial.

b) Límite de rotura o tensión de rotura (σE): Máximo valor de la tensión observable en un diagrama tensión-deformación. Esta es la máxima tensión que soporta la probeta.

c) Módulo de Young (E): Constante que representa la relación entre la tensión y la deformación en la zona proporcional. También se le llama módulo de elasticidad.

d) Límite de proporcionalidad (σE): La tensión a partir de la cual deja de cumplirse la relación proporcional entre tensión y deformación y, por lo tanto, se deja de cumplir la ley de Hooke.

Curvas para un material dúctil y de poca resistencia y otro de alta resistencia , pero frágil:

b) La ley de Hooke

Se aplica en ensayos de tracción y con carácter general se enuncia así:

“Las deformaciones producidas en un elemento resistente son proporcionales a las fuerzas que lo producen”.

FuerzaDeformación

=constante=tg

La fuerza es de traccion (F) y la deformación Δl = l – lo

La constante se representa por K = tg α

Unidades:

F = En el sistema internacional Newton (N), también se elige kilopondio (Kp)

Δl = En el sistema internacional Metros (m), también se elige cm o mm

Deformación

Fue

rza

α

La tensión máxima es en este caso menor , luego tiene menor resistencia. El alargamiento en este caso es mucho mayor que en el segundo, luego es más dúctil.

Material más resistente y más frágil.

K en el Sistema Internacional N/m , también se elige Kp/cm o Kp/mm

En realidad se emplea el diagrama σ –

=constante=E

siendo E el módulo de Young o módulo elástico, que representa la pendiente de la recta σ – ε

E : Unidades en el sistema internacional N

m2, otras son

Kp

cm2 o

Kp

mm2

σ : Unidades en el sistema internacional N

m2,otras son

Kp

cm2 o

Kp

mm2

ε : no tiene unidades (adimensional)Por ello, redefinimos la ley de Hooke

Los alargamientos unitarios (deformaciones) (ε )son proporcionales a la tensión que los producen (σ), siendo la constante de proporcionalidad el módulo elástico (E)

=E

c) Tensión máxima de trabajo

Es el límite de carga al que podemos someter una pieza o elemento simple de una estructura. Se representa por (σt)

Hasta que la tensión no alcanza (σt) podemos asegurar

a) Que el elemento no padecerá deformaciones plásticasb) Que cumplirá la ley de Hookec) Que ofrecerá un margen de seguridad ante la posibilidad de que aparezcan fuerzas imprevistas.

σε

σR

σt

σP

σF

T R A C C I Ó N Un cuerpo se encuentra sometido a tracción simple cuando sobre sus secciones transversales se le aplican cargas normales uniformemente repartidas y de modo de tender a producir su alargamiento. Por las condiciones de ensayo, el de tracción estática es el que mejor determina las propiedades mecánicas de los metales, o sea aquella que definen sus características de resistencia y deformabilidad. Permite obtener, bajo un estado simple de tensión, el límite de elasticidad o el que lo reemplace prácticamente, la carga máxima y la consiguiente resistencia estática, en base a cuyos valores se fijan los de las tensiones admisibles o de proyecto (�adm.)y mediante el empleo de medios empíricos se puede conocer, el comportamiento del material sometidos a otro tipo de solicitaciones (fatiga, dureza, etc.). Cuando la probeta se encuentra bajo un esfuerzo estático de tracción simple a medida que aumenta la carga, se estudia esta en relación con las deformaciones que produce. Estos gráficos, permiten deducir sus puntos y zonas características revisten gran importancia, dicho gráfico se obtiene directamente de la máquina.

Un caso típico es el diagrama que nos presenta el gráfico de un acero dúctil indicado en la figura, en donde el eje de las ordenadas corresponde a las cargas y el de la abscisas al de las deformaciones longitudinales o alargamientos en milímetros. 1) Periodo elástico Se observa en el diagrama que el comienzo, desde el punto O hasta el A, esta representado por una recta que nos pone de manifiesto la proporcionalidad entre los alargamientos y las cargas que lo producen (Ley de Hooke). Dentro de este periodo y proporcionalmente hasta el punto A, los aceros presentan la particularidad de que la barra retoma su longitud inicial al cesar la aplicación de la carga, por lo que recibe indistintamente el nombre de periodo de proporcionalidad o elástico. 2) Zona de alargamiento seudoelástico Para el limite proporcional se presentan un pequeño tramo ligeramente curvo AB, que puede confundirse prácticamente con la recta inicial, en el que los alargamientos elásticos se les suma una muy pequeña deformación que presenta registro no lineal en el diagrama de ensayo. La deformación experimentada desde el limite proporcional al B no solo alcanza a valores muy largos, si no que fundamentalmente es recuperable en el tiempo, por lo que a este punto del diagrama se lo denomina limite elástico o aparente o superior de fluencia. 3) Zona de fluencia o escurrimiento

El punto B marca el inicio de oscilaciones o pequeños avances y retrocesos de la carga con relativa importante deformación permanente del material. Las oscilaciones en este periodo denotan que la fluencia no se produce simultanea mente en todo el material, por lo que las cargas se incrementan en forma alternada, fenómeno que se repite hasta el escurrimiento es total y nos permite distinguir los “limites superiores de fluencia”. El limite elástico aparente puede alcanzar valores de hasta el 10 al 15 % mayores que el limite final de fluencia. 4) Zona de alargamiento homogéneo en toda la probeta. Más allá del punto final de fluencia C, las cargas vuelven a incrementarse y los alargamientos se hacen más notables, es decir que ingresa en el período de las grandes deformaciones, las que son uniformes en todas las probetas hasta llegar a D, por disminuir, en igual valor en toda la longitud del material, la dimensión lineal transversal. El final de período de alargamiento homogéneo queda determinado por la carga máxima, a partir de la cual la deformación se localiza en una determinada zona de la probeta, provocando un estrechamiento de las secciones que la llevan a la rotura, al período DE se lo denomina de estricción. En la zona plástica se produce, por efecto de la deformación, un proceso de endurecimiento, conocido con el nombre de “ acritud “, que hace que al alcanzar el esfuerzo la resistencia del metal, éste al deformarse adquiere más capacidad de carga, lo que se manifiesta en el gráfico hasta el punto D. 5) Zona de estricción En el período de estricción, la acritud, si bien subsiste, no puede compensar la rápida disminución de algunas secciones transversales, produciéndose un descenso de la carga hasta la fractura. PROBETAS PARA TRACCION Las probetas para los ensayos de tracción pueden ser: industriales o calibradas; estas últimas, se emplean en experiencias más rigurosas y adoptan formas perfectamente cilíndricas o prismáticas, con extremos ensanchados, no solo para facilitar su sujeción en la máquina de ensayo, sino para asegurar la rotura dentro del largo calibrado de menor sección; en la cual se marcan los denominados “Puntos fijos de referencia” a una distancia inicial preestablecida (lo), que permitirá después de la fractura, juntando los trozos, determinar la longitud final entre ellos (L). Estos hechos han motivado la normalización de la longitud inicial, estipulándose que dos o más ensayos pueden compararse en sus alargamientos, si las probetas son geométricamente semejantes, lo que se logra cuando lo es proporcional al diámetro o raíz cuadrada de la sección. O sea que los ensayos sobre probetas distintas resultan comparables si se cumple que la ley de semejanza:

El gráfico de la probeta de tracción a utilizar es según la norma IRAM

MAQUINA DE ENSAYO La siguiente es una foto de la maquina utilizada para realizar el ensayo de tracción, en la cual vemos el dial que nos marca la cargas , el diagramador y el sistema donde se realiza el ensayo con la probeta colocada.

MODO Y TIEMPO DE APLICACION DE LAS CARGAS La carga debe aplicarse de tal manera que el esfuerzo resulte uniformemente destruido sobre la sección transversal del material. Tratándose de ensayos estáticos el incremento de carga se efectúa en forma muy lenta, para evitar los efectos de las fuerzas de inercia, velocidad que se fija según las normas y materiales, adoptándose generalmente una variación de 0,1 Kgf/mm² y por segundo aproximadamente hasta alcanzar el limite de fluencia, a partir del cual puede llegarse como máximo a 50 Kgf/mm² por minuto. Resulta de gran importancia la velocidad de la aplicación de la carga de ensayo, pues su incremento produce un retraso en la aparición de las deformaciones plásticas y un aumento de la resistencia del material. Si las cargas se aplican en forma extremadamente lentas se obtiene una disminución del limite de fluencia y un aumento de la resistencia, aunque a expensas de la ductilidad, que disminuye considerablemente.

DETERMINACIONES A EFECTUAR EN UN ENSAYO DE TRACCION ESTATICO El ensayo de tracción es el que mejor define las “propiedades mecánicas” de los metales sometidos a la acción de cargas estáticas. Estas propiedades quedan determinadas si se calcula la aptitud del material a resistir las cargas que le pueden ser aplicadas (propiedades de resistencia) y las deformaciones que experimente por la acción de éstas (propiedades de deformaciones). Propiedades Mecánicas De Resistencia: Del gráfico de ensayo pueden determinarse los valores de las cargas a los limites proporcionales y de fluencia y la que corresponde a la máxima, que permiten calcular las tensiones convencionales que fijan las propiedades de resistencia. Resistencia estática a la tracción

Tensión al límite inicial de fluencia:

Tensión al limite convencional 0,2

La determinación de los limites convencionales requiere el empleo de

extensómetro o maquinas con registradores electrónicos.

Propiedades Mecánicas De Deformabilidad:

Alargamiento De Rotura: si antes de comenzar las experiencias se marcan

sobre la probeta, en una generatriz o recta, los puntos de referencia de acuerdo

con la norma aplicada (Lo) después del ensayo, juntando los trozos, es factible

medir la distancia que los separa (L), de modo que el “alargamiento total”

resulta:

Conocido este valor se puede determinar es “alargamiento de rotura” que no es

mas que el unitario convencional correspondiente a la factura, se lo indica con

δ % en lugar de ε % como es establecido para cualquier otro punto de

diagrama.

Estricción: como ya sabemos, una vez alcanzada la carga máxima se produce

un estrangulamiento en una zona determinada de la probeta. Esta disminución

de sección hace que se llegue a la rotura cuando la carga es inferior a la

máxima aplicada, diferencia que se acrecienta con la ductilidad del material.

La estricción será, entonces la disminución relativa porcentual de la sección

transversal de la rotura.

ENSENSENSENSAYO DE TRACCION SAE 1015AYO DE TRACCION SAE 1015AYO DE TRACCION SAE 1015AYO DE TRACCION SAE 1015

Diámetro inicial de la probeta (Di) = 20 mm. La sección inicial es:

Longitud inicial (Li) = 200 mm. (Distancia entre puntos de referencias).

Luego del ensayo, las dimensiones finales son:

Diámetro final (Df) = 11,1 mm. La sección final es:

Longitud final (Lf) = L1 + L2 +L3 = 132,22 mm + 123,66 mm + 12,5 mm

Lf = 268,38 mm

Observación:

Debido a que la probeta no rompió en su tercio medio debimos aplicar el

método de la norma IRAM de tracción a saber:

a) Se supone que la fractura se produce en el centro de la probeta, caso ideal, o

en un punto muy próximo a él.

b) Se acepta que el material experimenta iguales deformaciones a ambos lados

de la probeta.

Como es necesario medir 10 divisiones de cada lado de la rotura en nuestro

caso solo pudimos medir 9 divisiones, la división restante se tomó del otro lado

de la rotura.

Del diagrama se obtienen los distintos valores de carga.(Afectándolo de la

escala de carga del diagrama = 125 Kgf/mm)

(Pp) Carga al límite proporcional = 62 mm x Escala de carga

Pp = 62 mm x 125 Kgf/mm = 7750 Kgf.

(Pf ) Carga de fluencia = 61 mm x 125 Kgf/mm = 7625 Kgf

(Pmax) Carga máxima = 101,5 mm x 125 Kgf/mm = 12687,5 Kgf

(∆Lp) Alargamiento en el período proporcional = 11 mm x Escala de ∆Lp =

∆ Lp = 11 mm x 0,016 mm/mm = 0,176 mm

CALCULO DE TENSIONES

El diagrama de ensayo es el siguiente:

Al finalizar el periodo elástico se suspendió el uso del extensómetro (debido a

que su alcance no es tan grande y también que solo es de importancia medir la

deformación el periodo proporcional o elástico y no la deformación total que la

realizamos al final al medir la probeta). El diagrama sigue en función del tiempo

a razón de 5 mm/min. .

ENSAYO DE TRACCION SAE 1045 ENSAYO DE TRACCION SAE 1045 ENSAYO DE TRACCION SAE 1045 ENSAYO DE TRACCION SAE 1045

Di = 20 mm

Li = 200 mm

Luego del ensayos las dimensiones son:

Df = 14,12 mm

Lf = 241,38 mm

Pp = 110 mm x 125 Kgf/mm = 13750 Kgf

Pf = 106,5 mm x 125 Kgf/mm = 13312,5 Kgf

Pmax = 172 mm x 125 Kgf/mm = 21500 Kgf

∆Lp = 21,5 mm x 0,016 mm/mm = 0,344 mm

CALCULO DE TENSIONES

El siguiente esquema es el diagrama del ensayo SAE 1045 (se debe tener

también en cuenta las observaciones hechas para el diagrama del SAE 1015)

La foto muestra claramente las diferencias en las deformaciones causadas por el ensayo: el SAE 1015 con mayor alargamiento y mayor estricción que el SAE 1045 que vemos abajo en la foto

Propiedades Mecánicas: curva Esfuerzo – Deformación Unitaria. Las propiedades mecánicas describen como se comporta un material cuando se le aplican fuerzas externas. Para propósitos de análisis, las fuerzas externas que se aplican sobre un material se clasifican así:

1. Fuerzas en tensión. La fuerza aplicada intenta estirar al material a lo largo de su línea de acción.

2. Fuerzas en comprensión. La fuerza aplicada intenta comprimir o acortar al material a lo largo de su línea de acción.

3. Fuerza en cortante. Las fuerzas se aplican de tal forma que intentan cortar o

seccionar al material.

4. Fuerza en torsión. La fuerza externa aplicada intenta torcer al material. La

fuerza externa recibe el nombre de torque o momento de torsión.

Cualquier fuerza externa que se aplique sobre un material causa su deformación. Para el caso de una fuerza en tensión, el material se alarga en el sentido de aplicación de la fuerza, y se acorta en la dirección transversal a la fuerza aplicada.

lo La deformación del material se línea de aplicación de la fuerza. Deformación = ∆L = Lf - Lo

Para estudiar la reacción de los mutiliza el concepto de esfuerzo.

AEsfuerzo =

El esfuerzo tiene las mismas ununidad de área. En el sistema sistema Inglés, en psi (libras/pulexpresar el esfuerzo en unidades Existen dos tipos de esfuerzo pa

1. Esfuerzo de ingeniería (σárea transversal inicial dela fuerza). El área transvfuerza.

F

lf

define como el cambio en la longitud En forma matemática:

ateriales a las fuerzas externas que s

fuerzalaaplicasecuallasobrereaaplicadaFuerza

idades de la presión, es decir, unidadmétrico, el esfuerzo se mide en Pascalg2). En aplicaciones de Ingeniería Civi kg/cm2.

ra el caso de fuerzas aplicadas en tens

). Se define como la fuerza aplicadal material (el área que tiene el materialersal es el área perpendicular a la línea

F

a lo largo de la

e les aplican, se

F

A

es de fuerza por es (N/m2). En el l, es muy común

ión:

dividida entre el antes de aplicar de acción de la

0AF

materialdelinicialAreaaplicadaFuerza

==σ

2. Esfuerzo verdadero (σv). Se define como la fuerza aplicada dividida entre el área transversal real o instantánea que posee el material mientras está actuando la fuerza.

AF

v ==material del ainstantáne orealArea

aplicadaFuerzaσ

Además, también se utiliza el concepto de deformación unitaria. Existen dos tipos de deformación unitaria:

1. Deformación unitaria de Ingeniería (ε) Se define como la deformación (∆L) dividida entre la longitud inicial (L0) del material.

0LL∆

=ε

2. Deformación unitaria verdadera (εv) Se define de la siguiente manera:

=

0

lnLL f

vε

Para nuestro curso, se considerarán únicamente las fuerzas aplicadas en tensión. Suponga que se tiene una barra de área circular Ao y longitud inicial Lo.

Lo

Ao

A esta barra se le aplica una fuerza en tensión F. Como consecuencia, la barra se deforma ∆L

Lf

F

F

A

Suponga que al inicio la fuerza aplicada es cero y luego su magnitud se incrementa gradualmente hasta que la barra se rompe. Suponga que cada cierto tiempo se grafica el esfuerzo aplicado contra la deformación unitaria de la barra. A esa gráfica se le llama curva esfuerzo – deformación unitaria, y es una propiedad mecánica del material del que está hecha la barra.

De la ctensión

1. REdac

σ

urva esfuerzo-deformación unitaria se obtienen varias propiedades mec para el material.

esistencia a la fluencia (σy) s el valor del esfuerzo que debe aplicarse sobre el material para eformación permanente. Formalmente se define como el valor del esfl ser aplicado al material produce una deformación permanente deomo se ilustra en el esquema a continuación.

ε

ánicas en

iniciar su uerzo que 0.2%, tal

σ

σy

ε

2. Módulo de elasticidad (E)

Es la pendiente de la línea recta que se forma en la zona elástica de la curva. Para la zona elástica se cumple que σ = Eε

El módulo de elasticidad es una medida de la rigidez del material. Si se tienen dos materiales (A y B), A es más rígido que B si se deforma elásticamente menos que B al aplicarles a ambos la misma fuerza. El material es más rígido entre mayor sea su módulo de elasticidad.

3. Módulo de resiliencia (Er)

Es el valor numérico del área bajo la curva en la zona elástica. Representa la energía por unidad de volumen que el material absorbe cuando se deforma elásticamente.

4. Relación de Poisson (µ)

Es la relación entre la deformación unitaria longitudinal y la deformación unitaria lateral.

allongitudin

lateral

εε

µ =

5. Resistencia a la tensión o esfuerzo último (σu)

Es el valor máximo del esfuerzo de ingeniería que se puede aplicar sobre el material. Cuando el esfuerzo aplicado se iguala a la Resistencia a la tensión, se inicia la estricción y luego la fractura del material.

6. Ductilidad

La ductilidad es una medida de la cantidad de deformación plástica que puede darse en un material antes que éste se rompa. La ductilidad puede medirse de dos formas:

• El porcentaje de elongación. Se define de la siguiente manera:

( ) 100L

%EL %0

0f xLLelongaciónde

−==

• El porcentaje de reducción de área, el cual se define de la siguiente manera:

100A

(%AR) área dereducción de %0

0 xAAf−

=

Una idea cualitativa de la ductilidad de un material puede obtenerse al ver la longitud de la curva esfuerzo – deformación unitaria en la dirección del eje ε.

7. Tenacidad

Es la energía por unidad de volumen que el material puede absorber antes de romperse. La tenacidad es numéricamente igual al área bajo la curva esfuerzo – deformación unitaria.

σ

Resistencia

ε