Propiedades de los materiales y análisis de esfuerzos y deformaciones

Propiedades de los materiales

En general, los materiales se encuentran sometidos a fuerzas al prestar algún servicio. Es importante entonces conocer las características de los materiales para diseñar una pieza que en tales condiciones ésta no presente algún tipo de deformación que sea excesiva y se provoque una rotura. El comportamiento mecánico de un material está dado por la relación entre la fuerza aplicada y la respuesta del material (su deformación).

Las propiedades mecánicas de los materiales se determinan realizando diversos ensayos de laboratorio. Los factores que se consideran son la carga aplicada, su duración, su magnitud, entre otros. El tiempo de aplicación puede ir desde sólo una fracción de segundo hasta un periodo de varios años.

Deformación elástica

El grado con que una estructura se deforma depende de la magnitud de la tensión que se le aplique. Para muchos metales sometidos a esfuerzos la tensión y la deformación son proporcionales de acuerdo a la siguiente relación:

Esta relación es conocida como la ley de Hooke, y la constante de proporcionalidad “E” es el módulo de elasticidad también llamado módulo de Young.

Cuando se cumple que la deformación es proporcional a la tensión, la deformación se denomina deformación elástica. El módulo de elasticidad “E” puede ser denominado como la rigidez de un material, o sea, la resistencia de in material a la deformación elástica.

La deformación elástica no es permanente; al ser retirada la fuerza la pieza vuelve a su forma original.

Deformación plástica

Cuando el material se deforma y llega a un punto tal que la tensión deja de ser proporcional a la deformación se dice que ocurre una deformación plástica, esta deformación es permanente.

Fluencia y límite elástico

Por lo general, las estructuras son diseñadas para que, al ser éstas sometidas a tensiones, ocurran únicamente deformaciones del tipo elástica. Para esto es necesario conocer el nivel de tensión para el cual empieza la deformación plástica, es decir, cuando ocurre el fenómeno de fluencia. En

los metales que presentan una transición elastoplástica de forma gradual el punto de fluencia se determina como la desviación inicial de la linealidad de la curva tensión-deformación; este punto se denomina límite proporcional. En ciertos casos, la posición de este punto no se puede determinar con precisión. Es por este motivo que por convención se traza una línea recta paralela a la línea elástica del diagrama tensión-deformación desplazada por una determinada deformación, por lo general 0.002. La tensión que corresponde a la intersección de esta línea con el diagrama tensión-deformación cuando ésta se curva se denomina Límite elástico (σy).

Resistencia a la tracción

Después de que se inicia la deformación plástica la tensión necesaria para continuar la deformación en los metales aumenta hasta un máximo (M) y después disminuye hasta que se produce la fractura (F). La resistencia a la tracción (Su) es la tensión en el máximo de diagrama tensión deformación. Hasta que se llega a este punto toda la deformación es uniforme en la región estrecha de la probeta, cuando se alcanza la tensión máxima se empieza a generar una disminución localizada en el área transversal en algún ponto de la probeta, esto es denominado estricción o cuello. La fractura ocurre en la estricción.

Ductilidad

Otra propiedad mecánica es la ductilidad. Ésta es una medida del grado de deformación plática que puede soportar un material hasta que se produzca una fractura. Un material que presenta poca o nula deformación plástica se denomina frágil.

La ductilidad puede expresarse cuantitativamente como alargamiento relativo o porcentual. El alargamiento relativo porcentual (%EL) es el porcentaje de deformación plástica:

donde lf es la longitud en el momento de la fractura y l0 es la longitud de prueba original.

Resistencia de fluencia

Se le denomina resistencia de fluencia (Sy) al incremento de la deformación mientras existe poco o ningún aumento del esfuerzo. Ésta indica que el material ha cedido o se ha deformado en forma plástica y permanente.

Clasificación de metales y aleaciones

Cada metal cuenta con determinadas características que pueden hacerle útil para diversos procesos industriales. El hierro y sus aleaciones son las más utilizadas ya que presentan varias cualidades como su bajo costo, su resistencia, su ductilidad, entre otras. Es por esto que los materiales metálicos se clasifican en aleaciones férreas y aleaciones no férreas.

Las aleaciones férreas se clasifican a su vez por su contenido en carbono, en aceros (< 2% en C) y fundiciones (> 2% en C).

Otro grupo muy importante dentro de la clasificación de los metales es el de los metales refractarios. Este grupo contiene a los metales con temperaturas de fusión muy elevadas como el wolframio, tántalo, molibdeno y niobio.

Finalmente, otro grupo de metales, lo constituyen los denominados metales nobles, que son muy resistentes a la corrosión y oxidación, dúctiles y resistentes. Los metales nobles son: ero, plata, platino, rutenio, rodio, iridio y osmio.

Designación de aceros

La designación de aceros es una forma de designar los grados de los aceros al carbono y aleados. El sistema consta de cuatro dígitos, los primeros dos especifican los elementos aleantes mayoritarios, si no hay ninguno presente los primeros dígitos son 10. Los segundos dos dígitos especifican el contenido de carbono en centésimas por ciento.

Tratamientos térmicos

Se puede definir a tratamiento térmico de la siguiente manera: “una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento, en tiempos determinados y aplicadas a n metal o aleación en el estado sólido en una forma tal que producirá propiedades deseadas”.

Los tratamientos térmicos en los aceros se clasifican en los siguientes grupos:

*Los recocidos

La finalidad del recocido en los aceros es la de reducir su dureza, facilitar el trabajo en frío o para obtener propiedades mecánica o físicas deseadas.

*El normalizado

El normalizado permite obtener una estructura con distribución homogénea.

*El templado

El propósito de este tratamiento es obtener, para cada composición de acero, la dureza máxima.

*El revenido

El revenido permite mejorar la ductilidad del acero pero sin eliminar la dureza obtenida por el templado.

Fuerza cortante y momento flexionante

Un elemento estructural diseñado para soportar cargas que sean aplicadas en varios puntos a lo largo del elemento se conoce como viga.

Las fuerzas aplicadas a un elemento estructural pueden inducir un efecto de deslizamiento de una parte del mismo con respecto a otra. En este caso, sobre el área de deslizamiento se produce un esfuerzo cortante, o tangencial, o de cizalladura.

Fuerza Cortante

Es la suma algebraica de todas las fuerzas externas perpendiculares al eje de la viga que auctúan a un lado de la sección considerada.

La fuerza cortante es positiva cuando la parte situada a la izquierda de la sección tiende a subir con respecto a la parte derecha.

Momento flexionante

Es la suma algebraica de los mementos producidos por todas las fuerzas externas a un mismo lado de la sección transversal respecto a un punto de dicha sección

El momento flector es positivo cuando la sesión a la izquierda tiene una rotación en sentido horario.

Diagramas de fuerza cortante y momento flector

Estos diagramas permiten la representación gráfica de los valores de la fuerza cortante y el momento flector a lo largo de los elementos estructurales.

Se construye dibujando una línea de base que corresponde en longitud al eje de la viga y cuyas coordenadas in dican el valor de la fuerza y el momento en los puntos de esa viga.

Los máximos y mínimos de un diagrama de momento flector corresponden siempre a secciones de fuerza cortante nula.

Los puntos donde el momento flector es nulo se denominan puntos de inflexión.