UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO

COMPUTACIÓN APLICADAALEX PALACIOS EDWIN YUGCHA

DECIMO «A»Propiedades mecánicas(Mechanical Properties)

DEFINICIÓN (DEFINITION)Propiedades que tienen que ver con el comportamiento de los materiales bajo cargas.

La mecánica de materiales estudia las deformaciones unitarias y desplazamiento de estructuras y sus componentes debido a las cargas que actúan sobre ellas.

ANTECEDENTES DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS DE LOS MATERIALES (BACKGROUND ON MECHANICAL

TESTING OF MATERIALS)Su objetivo es determinar la respuesta de una material ante la aplicación de una fuerza.Tensión promedio (Avg. Stress)= P /𝐴Esfuerzos de Tensión: Cuando un elemento es sometido a tensión este tiende a separarse.

Esfuerzos de Compresión: Las cargas que actúan en un elemento tienden a aplastarlo.

Esfuerzos de Cortantes: Tienden a dividir un miembro.

Esfuerzo Torsional: Las cargas que soporta el elemento tienden a torcerlo.

Esfuerzos Flectores: Un elemento tiende a curvarse.

Los miembros cargados tienden a cambiar su forma (sección transversal o longitudinal).

Deformación = cambio de la longitud.Esfuerzo = deformación / longitud del miembro

MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAYO (UNIVERSAL TESTING MACHINE - UTM)

Máquina semejante a una prensa usada para medir las respuestas de los materiales a las tres principales formas de esfuerzos:

tracción, compresión y corte.

DIAGRAMA ESFUERZO – DEFORMACIÓN (STRESS/STRAIN DIAGRAM)

Es la curva que resulta de los valores del esfuerzo y su correspondiente deformación unitaria.

Carga/ (Área de esfuerzo original) EsfuerzoDeformación/ (Longitud original) Deformación Unitaria

ELASTICIDAD (ELASTICITY)Propiedad de los materiales de regresar a su forma original una ves que se retira la carga.

PLASTICIDAD (PLASTICITY)Propiedad mecánica de un material de deformarse permanente sin que ocurra fracturas.

TIPOS COMUNES DE PROPIEDADES MECÁNICAS (COMMON TYPES OF

MECHANICAL PROPERTIES)

- Propiedades derivadas del diagrama esfuerzo –deformación (properties derived from stress/strain daig)- Resistencia al impacto (Impact Resistance )- Dureza (Hardness)- Fatiga (Fatigue)- Fluencia Lenta (Creep)- Ruptura por tensión (Rupture Stress)

PROPIEDADES DERIVADAS DEL DIAGRAMA

ESFUERZO –DEFORMACIÓN

- Rotura (Strength)- Rigidez (Stiffness)- Ductilidad (Ductility)- Módulo de Resiliencia (Modulus of

Resilience)- Módulo de Tenacidad (Modulus of

Toughness)

RESISTENCIA A LA ROTURAEs la resistencia al esfuerzo máximo de un material y es igual a: Carga máxima / Área de esfuerzo original Resistencia a la tracción (Aleación

metálica (Aceros), Compuestos (FRP))Resistencia a la compresión (Hierros

fundidos, T.S. Polímeros, Cerámicas)Resistencia al corte = 40 % de la

resistencia a la tracciónResistencia Especifica = resistencia a la

tracción/densidad

PUNTO DE LIMITE ELÁSTICO/LIMITE ELASTICO.

(YIELD POINT STRESS /YIELD STRENGTH )

Es el esfuerzo máximo que un material puede soportar sin sufrir deformaciones

permanentes.

MÉTODO DE DESPLAZAMIENTO.El esfuerzo se obtiene en la intersección de la curva esfuerzo-deformación con una línea

paralela a la pendiente de la curva en la zona elástica a 0,2%

RIGIDEZStiffness

Es la capacidad de un elemento estructural para soportar esfuerzos sin adquirir

grandes deformaciones E = Módulo de Elasticidad

DUCTILIDADDUCTILITY

Es la propiedad que mide la elasticidad de un material.

%Ductilidad = tensión a la fractura * 100% Elongación = cambio en la longitud/longitud

inicial% Reducción en Área = cambio en la

longitud/longitud inicialAleaciones forjadas y polímeros.

MÓDULO DE RESILIENCIAMODULUS OF RESILIENCE

Es la máxima cantidad de energía por unidad de volumen que un material puede absorber sin producir una deformación permanente.Puede ser calculado como el área bajo la curva de esfuerzo-deformación desde el origen hasta el límite proporcional (elástico) y se representa como el área sombreada.

TENACIDADTOUGHNESS

Es la máxima cantidad de energía necesaria por unidad de volumen para que se produzca la fractura en un material determinado.

Se mide por el área total bajo la curva de esfuerzo/deformación.

El ensayo de impacto consiste en dejar caer un pesado péndulo, el cual a su paso golpea una probeta ubicada en la base de la maquina. La probeta rompe de un solo golpe.

Charpy (ISO 179-1, ASTM D 6110)

Izod (ISO 180, ASTM D 256, ASTM D 4508)cantilever beam

impact (ASTM D 4812)

ENSAYO DE IMPACTO (THE IMPACT TESTER)

RESISTENCIA AL IMPACTO (IMPACT RESISTANCES)

La resistencia al impacto describe la

capacidad del material a absorber golpes y

energía sin romperse.

La tenacidad del material

depende de la temperatura y

la forma.

Prueba de impacto .-es una prueba dinámica que permite predecir en cierta forma el comportamiento dúctil ó frágil de un material a una temperatura especifica.El ensayo determina la energía absorbida por una probeta (ranurada) durante su fractura; esto se denomina, como tenacidad del material.

Se tienen 2 tipos de ensayo de impacto

referidos :Charpy e Izod. El ensayo de impacto

Charpy emplea probetas con tres tipos de ranuras:

en “ V ”, “ojo de cerradura” y en “U”;

mientras que el de tipo Izod sólo utiliza la ranura

en “ V ”.

La diferencia entre los dos radica en la forma como se posiciona la

muestra. La probeta que se utiliza para ambos

ensayos es una barra de sección transversal

cuadrada dentro de la cual se ha realizado una

talla en forma de V.

Esta probeta se sostiene mediante mordazas paralelas que se localizan de forma horizontal en el ensayo tipo Charpy y de forma vertical en el ensayo tipo Izod. Se lanza un pesado péndulo desde una altura h conocida, este péndulo golpea la muestra al descender y la fractura. Si se conoce la masa del péndulo y la diferencia entre la altura final e inicial, se puede calcular la energía absorbida por la fractura.

La fractura de un material comienza en el lugar donde

la concentración de tensión es lo más grande posible,

como lo es la punta de una grieta.

TEMPERATURA DE TRANSICIÓN O TEMPERATURA DE DUCTILIDAD NULA.(TRANSITION TEMPERATURE OR NIL DUCTILITY TEMP.)

Ensayo de impacto para determinar la temperatura de transición a ductilidad nula

(NDT) en aceros férricos

A temperaturas por encima de la NDT cuando se realiza un ensayo de tracción, una pieza de

acero se estira o se deforma de manera dúctil.

A temperaturas por debajo del NDT esa misma pieza de acero se romperá de manera quebradiza cuando

esté sometida a cargas superiores a su límite elástico.

La temperatura NDT es la temperatura a la que el modo de fractura del acero pasa de dúctil a

quebradizo.

ASTM E208

La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración, la

abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes; entre otras. También puede definirse como la cantidad de energía que absorbe un material ante un esfuerzo antes de

romperse o deformarse. El ensayo de dureza es simple, de alto

rendimiento ya que no destruye la muestra y particularmente útil para evaluar propiedades de los diferentes componentes microestructurales

del material.

El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la correlación existente entre la

dureza y la resistencia mecánica, siendo un método de ensayo más económico y rápido que el

ensayo de tracción, por lo que su uso está muy extendido.

DUREZA (HARDNESS)

Dureza Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella.Rockwell superficialpiezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas de materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento superficial.

Dureza Brinell: Emplea como

punta una bola de acero

templado o carburo de W.

Para materiales duros, es poco

exacta pero fácil de aplicar. Poco

precisa con chapas de

menos de 6mm de espesor.

Estima resistencia a

tracción.

Dureza Vickers: Emplea como penetrador un diamante con

forma de pirámide

cuadrangular. Para materiales

blandos, los valores Vickers coinciden con

los de la escala Brinell. Mejora

del ensayo Brinell para

efectuar ensayos de dureza con

chapas de hasta 2mm de espesor.

Dureza Knoop: Mide la dureza en valores de

escala absolutas, y se valoran con la profundidad de señales grabadas sobre un mineral

mediante un utensilio con una punta de diamante al

que se le ejerce una

fuerza estándar.

Dureza Shore: Emplea un

escleroscopio. Se deja caer un indentador en la

superficie del material y se ve

el rebote. Es adimensional, pero consta de

varias escalas. A mayor rebote -> mayor dureza. Aplicable para

control de calidad

superficial. Es un método

elástico, no de penetración

como los otros.

FATIGA (FATIGUE) Se refiere un fenómeno por el cual la rotura de los

materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce ante cargas inferiores a las cargas

estáticas que producirían la rotura.

La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y

fluctuantes (puentes, automóviles, aviones, etc.).

Su principal peligro es que puede ocurrir a una tensión menor que la resistencia a tracción o el límite elástico para una carga estática, y aparecer sin previo aviso, causando roturas catastróficas. Es un

fenómeno muy importante, ya que es la primera causa de rotura de los materiales metálicos (aproximadamente el90%), aunque

también está presente en polímeros, y en cerámicas. La rotura por fatiga tiene aspecto frágil aún en metales dúctiles,

puesto que no hay apenas deformación plástica asociada a la rotura. El proceso consiste en un inicio y posterior propagación de fisuras, que crecen desde un tamaño inicial microscópico hasta un

tamaño macroscópico capaz de comprometer la integridad estructural del material.

CREEP El fenómeno conocido como

"creep", se define como: "la parte dependiente del

tiempo de las deformaciones

provenientes de tensiones".

En muchas aplicaciones los componentes se ven

obligados a soportar cargas constantes

durante lapsos prolongados, como por

ejemplo cables de acero. En tales

circunstancias el material puede

continuar deformándose hasta que su utilidad se ve

seriamente perjudicada.

Tales tipos de deformaciones

dependientes del tiempo pueden ser casi

imperceptibles, pero crecen durante toda la vida útil de la pieza y llevan a la rotura, aún sin que la carga haya

aumentado.

Con cargas aplicadas por corto tiempo, como

en un ensayo de tracción estático, hay

una deformación inicial que aumenta

simultáneamente con la carga. Si, bajo

cualquier circunstancia, la deformación

continúa mientras la carga se mantiene constante, a esta

deformación adicional se la conoce como

CREEP.

Las deformaciones representadas por las ordenadas pueden asociarse a tres tipos distintos de mecanismos, que pueden visualizarse dividiendo la deformación en las tres partes

Etapas del Creep:

La primera parte es la deformación elástica (más la deformación

plástica si la tensión es suficientemente alta) y

ocurre casi instantáneamente, bajo la acción de la tensión

aplicada: es la deformación ordinaria dada por el diagrama

de tensión-deformación. Si la

expansión térmica que la temperatura produce es significativa, puede

ser incluida en este componente.

La segunda es la componente transitoria

cuya característica principal es que tiene

tasa (“velocidad”) decreciente. La

deformación es rápida al comienzo pero

gradualmente se hace más lenta a medida que se aproxima a un valor

fijo determinado.

La tercera es la componente

permanente que aumenta

continuamente, a tasa constante bajo tensión constante. Por tratarse

de un movimiento similar al flujo viscoso,

se lo conoce a veces como creep viscoso.

ROTURA DE TENSIÓN (STRESS RUPTURE)

Se denomina tensión de rotura, a la máxima tensión que un material puede soportar al ser

traccionado antes de que se produzca necking, que es cuando la sección transversal del especimen se

comienza a contraer de manera significativa.La tensión de rotura se obtiene por lo general

realizando un ensayo de tracción y registrando la tensión en función de la deformación (o

alargamiento); el punto más elevado de la curva tensión-deformación es la tensión de rotura. Es una propiedad intensiva; por lo tanto su valor no depende del

tamaño del espécimen de ensayo. Sin embargo, depende de otros factores, tales como la preparación del especímen, la

presencia o no de defectos superficiales, y la temperatura del medioambiente y del material.

Las tensiones de rotura rara vez son consideradas en el diseño de elementos dúctiles, pero sin embargo son muy importantes en el diseño de elementos frágiles. Las mismas se encuentran

tabuladas para los materiales más comunes tales como aleaciones, materiales compuestos, cerámicos, plásticos, y 

madera.

La tensión de rotura es definida como una tensión que se mide en unidades de fuerza por unidad de área

En el sistema internacional, la unidad es el pascal (Pa) (o un múltiplo del mismo, a menudo el megapascal (MPa), utilizando el prefijo Mega); o,

equivalente al Pascal, Newtonpor metro cuadrado (N/m²).

CONCENTRACION DE ESFUERZOS(Stress Concentration).

ANALISIS DE FALLA (Failure Analysis)

El concepto de concentración de esfuerzos, se refiere al estado macroscópico de esfuerzos, y

tiene un significado único para problemas en el plano que involucran la definición de

esfuerzo promedio.

Entonces si se barrena un agujero en una placa sometida a tensión, el esfuerzo presente en el elemento es constante siempre y cuando se mida   a una distancia apreciable

del agujero, pero el esfuerzo tangencial en el borde del agujero

se vería   incrementando considerablemente. 

Kf= factor de concentración de esfuerzos.

.