PROPIEDADES MECÁNICAS · 2020. 5. 14. · El estudio de las propiedades mecánicas se centra...

Esc de Minas - UNJu Tecnología de los Materiales 1° AÑO CSTQ

Esp. Ing. M. Ivanovich 1

PROPIEDADES MECÁNICAS

Muchos materiales, cuando prestan servicio, están sometidos a fuerzas o cargas; ejemplos de ello

son las aleaciones de aluminio con las cuales se construyen las alas de los aviones y el acero de los

ejes de automóviles. En tales situaciones es necesario conocer las características del material para

su selección y diseñar la pieza de tal manera que cualquier deformación resultante no sea excesiva y

no se produzca la rotura. El comportamiento mecánico de un material refleja la relación entre la

fuerza aplicada y la respuesta del material (o sea su deformación)

Los materiales elegidos para aplicaciones estructurales tienen combinaciones deseables de

características mecánicas.

El estudio de las propiedades mecánicas se centra principalmente en el comportamiento mecánico

de los metales; los polímeros y los cerámicos son mecánicamente bastante diferentes de los

metales.

En la clase anterior se definió a las propiedades mecánicas como características que determinan el

comportamiento del material cuando se sujeta a esfuerzos mecánicos. También se han definido las

siguientes propiedades mecánicas:

En diseño el objetivo general es que el producto resista esfuerzos sin un cambio significativo en su

geometría.

¿Cómo medir las propiedades de los materiales que se utilizan para el diseño de elementos

individuales o componentes de estructuras?

Una respuesta es mediante los ensayos mecánicos de los elementos individuales diseñados.

Es decir que las propiedades mecánicas de los materiales se determinan realizando ensayos

cuidadosos de laboratorios qe reproducen las condiciones de servicio hasta donde sea posible. Los

factores que deben considerarse son la naturaleza de la carga aplicada, su duración, una compresión

o una cizalladura y su magnitud puede ser constante con el tiempo o bien fluctuar contínuamente. El

tiempo puede ser de sólo una fracción de segundos o durar un período de varios años. La

temperatura de servicio puede ser unfactor importante.

A continuación comenzaremos analizando el comportamiento esfuerzo- deformación de los metales y

las principales propiedades mecánicas relacionadas.



Concepto de esfuerzo deformación

Si una carga es estática o bien cambia de forma relativamente lenta con el tiempo y es aplicada

uniformemente sobre una sección o superficie de una pieza, el comportamiento mecánico puede ser

estimado mediante un simple ensayo esfuerzo deformación. Con metales, este ensayo se realiza

normalmente a temperatura ambiente. Existen tres principales maneras de aplicar la carga, a saber:

tracción; compresión y cizalladura (Fig 1. a; b y c). También existen cargas torsionales como las d.

Fig 1.- Principales maneras de aplicar la carga: a) tracción; b) compresión y c) cizalladura y d)

torsión

Ensayo de Tracción (o de Tensión)

Es un ensayo mecánico esfuerzo-deformación, es el más común que se realiza para determinar

varias propiedades de los materiales, que son importantes para el diseño.

Fig. 2.- Esquema del la máquina utilizada en el ensayo de tracción. La probeta es alargada por el

cabezal móvil; la celda de carga y el extensómetro miden, respectivamente la carga y el

alargamiento.



En la Fig. 2, se puede observar una probeta de tracción normalizada. Generalmente la sección de la

probeta es circular pero también se utilizan probetas de sección rectangular. Durante el ensayo, se

aplican las fuerzas de tracción en ambos extremos de la probeta por lo que la deformación está

confinada en la región más estrecha del centro, la cual tiene una sección uniforme a los largo de su

longitud.

Normalmente se deforma una probeta hasta la rotura, con una carga de tracción que se aumenta

gradualmente y que es aplicada uniaxialmente a lo largo del eje de la probeta.

La probeta se monta por sus extremos en las mordazas de la máquina de ensayo como se puede

observar la Fig. 2. Esta se diseña para alargar la probeta a una velocidad constante y para medir

continua y simultáneamente la carga instantánea aplicada (con una celda de carga) y el alargamiento

resultante (utilizando un extensómetro). El ensayo dura varios minutos y es destructivo, es decir, la

probeta del ensayo es deformada de forma permanente y a menudo es rota.

Si se analiza cómo serían: el esfuerzo y la deformación en cuerpos aislados después de aplicar la

carga.

En donde F es la carga instantánea aplicada perpendicularmente a la sección de la probeta y A0 es

el área de la sección original antes de aplicar la carga.



En donde Δl es el alargamiento producido por deformación, o cambio en longirud en un instante

determinado, con respecto a la longitud inicial (l –l0). Siendo l la londitud final despues de aplicada la

carga y l0 la longirud inicial antes de aplicar la carga.

A continuación se puede observar en la Fig. 3, el comportamiento de la probeta que es sometida al

ensayo de tracción y de acuerdo a la variación de la carga produce una variación en la longitud,

ambas variaciones se pueden representar en un sistema de ejes cartesianos y describen una curva

que es característica de este ensayo y es conocida como la curva tensión deformación.

Región entre M y F:

•Metales: Ocurre el estrechamiento de

la sección

•Cerámica: Ocurre la propagación de

fisuras

•Polímeros: Ocurre la alineación las

cadenas poliméricas que están a punto

de romperse

Fig. 3.- Curva típica de ensayo de tracción hasta la fractura, donde la probeta puede ser de

diferentes materiales y su interpretación sería la que figura a la derecha.

Fig. 4.-Estado de la probeta antes y después del ensayo de tracción. EL afinamiento que se observa

en la parte central de la probeta cuando es traccionada se denomina estricción.



Región entre M y F:

•Metales: Ocurre el estrechamiento de

la sección

•Cerámica: Ocurre la propagación de

fisuras

•Polímeros: Ocurre la alineación las

cadenas poliméricas que están a punto

de romperse

Fig. 5.-Interpretación de lo que ocurre internamente en la probeta de un polímero cuando es

sometida al ensayo de tracción, en a) se observa como las cadenas largas se desordenan cuando la

carga llega al punto M, luego en el b) es el afinamiento de la probeta en su parte central y es donde

las cadenas largas comienzan a alinearse como resultado de la deformación hasta el punto F.

Fig. 6.- Interpretación del concepto sobre comportamiento elástico y plástico de un material

Fig. 7.- Diferentes diagramas de curvas genéricas de tensión deformación dependiendo el tipo de

material.



Análisis e Interpretación de la Curva tensión deformación(σ-ε)

Fig. 8.- Diagrama de la curva tensión (carga) – deformación (elongación) (σ-ε) y estado de la probeta

en el punto de Carga máxima (Pmax) y el punto donde se produce la fractura de la probeta (Pf )

Identificación de las zonas en el diagrama Tensión - deformación(σ-ε)

Fig. 9.- Diagrama de la curva tensión – deformación(σ-ε), identificación de las zonas de deformación.



Propiedades obtenidas de la Zona Elástica

En la primera parte del ensayo de tracción, el metal se deforma elásticamente. Es decir, si la fuerza

que actúa sobre la probeta desaparece, ésta (la probeta) volverá a su longitud inicial, o sea, “el

material vuelve a su configuración inicial una vez cesa la carga “.

Se puede decir entonces que la “deformación elástica es aquella totalmente recuperable una vez

cesa su causa”.

Para metales, la máxima deformación elástica suele ser inferior a 0.5 por ciento(%). En general, los

metales y aleaciones muestran una relación lineal entre la tensión aplicada y la deformación

producida en la región elástica del diagrama convencional que se describe por la ley de Hooke.

Ley de Hooke: Para materiales elásticos la tensión es linealmente proporcional a la deformación e

independiente del tiempo.

Fig. 10.- Representación gráfica del módulo de Young (E) y cálculo

Está relacionado con la rigidez del material y con las fuerzas de las ligaciones interatómicas

• Rigidez: es la capacidad de no deformarse en la zona elástica al aplicar un esfuerzo y está

representado por la pendiente de la recta o E.

• Módulo de elasticidad o módulo de Young (E): es el producto de dividir el esfuerzo entre la

deformación unitaria en el tramo elástico.

El módulo de elasticidad está relacionado con la fuerza del enlace entre los átomos del metal o

aleación. Los metales con alto módulo de elasticidad son relativamente rígidos mientras que las

aleaciones de aluminio tienen un módulo inferior. Nótese que en la región elástica del diagrama

convencional, el valor del módulo no varía con el incremento de la tensión.

- Elástico-lineal (mayoría de los materiales)

- Elástico-no lineal (Hormigón y muchos polímeros)

Fig. 11.- Casos especiales de zonas elásticas en la curva tensión-deformación (σ-ε) en materiales.



Otro ejemplo es el acero, cuya curva (σ-ε) es la siguiente:

Fig. 12.- Zonas elásticas en la curva tensión-deformación del acero.

En cuanto a la Rigidez, nos podemos preguntar por ej:

¿Cuál material es más rígido el acero (Steel) o el aluminio (Aluminum)? ¿Por qué?

Fig. 13.- Zonas elásticas en la curva tensión-deformación(σ-ε) del acero y aluminio.

Observando la Fig. 13, se puede decir que la respuesta es que el acero es más rígido, porque a

mayor pendiente mayor rigidez y mayor Modulo de Young.

Propiedades obtenidas de la Zona Plástica

Desde el punto de vista atómico, la deformación plástica corresponde a la rotura de los enlaces entre

los átomos vecinos más próximos y a la deformación de éstos con nuevos vecinos, ya que un gran

número de átomos o moléculas se mueven con respecto a otros; al eliminar la tensión no vuelven a



sus posiciones originales. El mecanismo de esta deformación es diferente para materiales cristalinos

y amorfos.

Propiedades de tracción

1.-Fluencia y Límite elástico

La mayoría de las estructuras se diseñan de tal manera que solamente ocurra deformación elástica

cuando sean sometidas a tensiones. Por consiguiente, es deseable conocer a nivel de tensiones

para el cual empieza la deformación plástica, o sea, cuando ocurre el fenómeno de fluencia.

Para los metales que experimentan la transición elastoplástica de forma gradual, el punto de fluencia

puede determinarse como la desviación inicial de la linealidad de la curva tensión – deformación;

este punto se denomina a menudo límite proporcional, y está indicado por P en la Fig 14 a. En tales

casos, la posición de este punto no puede ser determinada con precisión. Por este motivo se ha

establecido una convención por la cual se traza una línea recta paralela a la línea elástica del

diagrama de tensión – deformación(σ-ε) desplazada por una determinada deformación, usualmente

0,002. La tensión correspondiente a la intersección de esta línea con el diagrama tensión–

deformación cuando esta se curva se denomina límite elástico σy. Esto se muestra en la Fig 14 a.

Fig. 14.- a) Curva de tracción de un metal que muestra las deformaciones elásticas y plásticas, el

límite proporcional P y el límite elástico, σy determinado como la tensión para una deformación

plástica del 0,002; b) Curva de tracción típica de algunos aceros que presentan el fenómeno de la

discontinuidad de la fluencia.

Para aquellos materiales que tienen una región elástica no lineal Fig. 14 b, la utilización del método

anterior no es posible.

Algunos aceros y otros materiales exhiben el tipo de diagrama de tensión–deformación (σ-ε)

mostrada en la Fig. 14 b.



La magnitud del Límite elástico de un metal es una medida de su resistencia a la deformación

plástica. Los Límites elásticos están comprendidos entre 35 MPa para el aluminio de baja resistencia

hasta valores superiores a 1400 MPa para aceros de alta resistencia.

En resumen se puede sintetizar los siguientes conceptos de forma teórica y gráficamente como:

Límite elástico: es un valor muy importante para el diseño estructural en ingeniería, pues es el nivel

de tensión al que un metal o aleación muestra una deformación plástica significativa.

Debido a que no hay un punto definido de la curva tensión-deformación donde acaba la deformación

elástica y empieza la deformación plástica, se define el límite elástico como la tensión a la que se

produce una deformación elástica definida.

Límite elástico: Punto en la gráfica donde termina el módulo de elasticidad. Se pasa de la zona

elástica a la zona la zona elástica a la zona plástica.

Esfuerzo de fluencia: esfuerzo donde se genera una deformación plástica en el material de 0,2%.

Fig. 15.- Interpretación gráfica del Límite elástico de 0.2 por ciento (0.2%), es el valor de tensión

donde la línea horizontal interseca el eje de tensión.

2.-Resistencia a la Tracción

Después de iniciarse la deformación plástica, la tensión necesaria para continuar la deformación en

los metales aumenta hasta un máximo, punto M en la Fig. 16 y después disminuye hasta que

finalmente se produce la fractura, punto F. La resistencia a la tracción TS (MPa), es la tensión en el

máximo del diagrama tensión - deformación Fig. 16. Esto corresponde a la máxima tensión que

puede ser soportada por una estructura a tracción; si esta tensión es aplicada y mantenida, se

producirá la rotura. Hasta llegar a ese punto, toda la deformación es uniforme en la región estrecha

de la probeta.

Sin embargo, cuando se alcanza la tensión máxima, se empieza a formar una disminución localizada

en el área de la sección transversal en algún punto de la probeta, lo cual se denomina estricción o



cuello, y toda la deformación subsiguiente está confinada en la estricción, tal como se indica

esquemáticamente en la Fig. 16. La fractura ocurre en la estricción. La tensión de fractura o bien de

rotura corresponde a la tensión en la fractura.

La resistencia a la tracción es la máxima tensión que se alcanza en la curva tensión-deformación. Si

la probeta desarrolla un decrecimiento localizado de la sección transversal (comúnmente

denominada estricción), la tensión decrecerá con el incremento de la deformación hasta producirse la

fractura, porque la deformación se determina utilizando el área original de la sección transversal de la

probeta.

Cuanto más dúctil es el metal,mayor es la estricción antes de la fractura y más descendente la

tensión, alejándose del valor de resistencia a la tracción. En aleaciones de aluminio de alta

resistencia, sólo hay un pequeño descenso de la tensión convencional desde el valor de resistencia a

la tracción porque este tipo de material tiene una ductilidad relativamente baja.

Fig. 16.-Curva típica de tracción hasta la fractura, punto F. La resistencia a la tracción TS está

indicada en el punto M. Los insertos circulares representan la geometría de la probeta deformada en

varios puntos de la curva.

La resistencia a la tracción pueden variar entre 50 Mpa para el aluminio hasta valores tan altos como

3000 Mpa para aceros de alta resistencia.

Generalmente cuando se menciona la resistencia de un metal para propósitos de diseño se indica el

límite elástico. Esto se debe a que cuando se alcanza la resistencia a la tracción, la deformación



plástica que habría sufrido el material sería tan grande que ya no sería útil. Además la resistencia a

la fractura no se indica usualmente en el diseño en ingeniería.

Este parámetro no es de mucha utilidad en el diseño ingenieril con aleaciones dúctiles porque se

produce mucha deformación plástica antes de alcanzarlo. No obstante, la resistencia a la tracción

puede aportar alguna información sobre la presencia de defectos. Si el metal contiene porosidad o

inclusiones, estos defectos pueden producir que el valor de la resistencia máxima sea menor que la

normal.

En forma gráfica la resistencia a la tracción del material se identifica como el esfuerzo σ máximo

registrado en la curva tensión – deformación (σ-ε)

Fig. 17.- Interpretación gráfica de la resistencia a la tracción del material

La resistencia a la tracción de un metal se determina en forma gráfica trazando una línea horizontal

desde el punto máximo de la curva tensión-deformación (σ-ε) hasta el eje de tensiones. El valor de

tensión donde esa línea intercepta al eje de tensiones se denomina resistencia máxima o resistencia

a la tracción.

3.-Ductilidad

La ductilidad es otra importante propiedad mecánica. Es una medida del grado de deformación

plástica que puede ser soportada hasta la fractura. Un material que experimenta poca o ninguna

deformación plástica se denomina frágil. El diagrama tensión-deformación(σ-ε) para materiales

dúctiles y para materiales frágiles se ilustran esquemáticamente en la Fig.18.

Fig. 18.-Representación esquemática del diagrama tensión-deformación (σ-ε) de materiales frágiles

y dúctiles ensayados hasta la fractura.



La Ductilidad también se puede definir como la capacidad que tiene un material para deformarse

plásticamente antes de fracturar.

Fig. 19.-Interpretación esquemática de la ductilidad en el diagrama de tracción de materiales.

Porcentaje de alargamiento

El porcentaje de alargamiento que una probeta a tracción soporta durante el ensayo proporciona un

valor de la ductilidad del metal. La ductilidad de metales suele expresarse como porcentaje de

alargamiento. En general, a mayor ductilidad del metal, mayor porcentaje de deformación.

El porcentaje de alargamiento se calcula mediante la ecuación:

Como se ha mencionado previamente, durante el ensayo de tracción se puede utilizar un

extensómetro para determinar continuamente la deformación producida durante el ensayo.

El porcentaje de alargamiento a fractura tiene importancia no sólo como medida de la ductilidad, sino

también como índice de la calidad del metal. Si existe porosidad o inclusiones en el metal, o si existe

un deterioro debido a un sobrecalentamiento del mismo, el porcentaje de alargamiento decrecerá por

debajo del valor normal.

Porcentaje de estricción

La ductilidad de un metal o aleación también se puede expresar en términos de porcentaje de

reducción de área o estricción. Esta magnitud normalmente se obtiene del ensayo de tracción.

Utilizando las medidas del diámetro inicial y del diámetro final, el porcentaje de estricción se

determina según la ecuación:



El porcentaje de reducción en el área, como el porcentaje de alargamiento, es una medida de la

ductilidad del metal y un índice de su calidad. El porcentaje de reducción en el área se puede

disminuir si existen defectos como inclusiones y/o porosidad en la muestra metálica.

Comparación de curvas tensión-deformación convencional para algunos metales

En la Fig. 20, se muestran las curvas tensión-deformación(σ-ε) convencional de algunos metales y

aleaciones. La aleación entre metales o entre metales y no metales y los tratamientos térmicos

pueden afectar mucho la resistencia a la tracción y la ductilidad de los metales. Las curvas tracción-

deformación(σ-ε) convencional de la figura muestran una gran variación de la resistencia a la

tracción. El magnesio elemental tiene una resistencia de 35 ksi (1 ksi = 1 000 psi), mientras que el

acero SAE 1340 templado en agua y revenido a 700°F (370°C) tiene una resistencia a la tracción de

240 ksi.

Fig. 20.- Curvas tensión-deformación (σ-ε) convencional de algunos metales y aleaciones

seleccionados

4.-Resilencia

La Resilencia se define como la capacidad que tiene un material de absorber energía elástica

cuando es deformado y de ceder esta energía cuando se deja de aplicar deformación.

También se la puede definir a esta propiedad como la energía de deformación por unidad de

volumen que se requiere para deformar un material hasta el límite elástico.



Por consiguiente, los materiales resilentes son aquellos que tienen un límite elástico muy alto y un

módulo de elasticidad muy bajo; como por ejemplo aleaciones que podrían utilizarse en aplicaciones

para muelles.

En forma gráfica se puede interpretar y/o representar por el área bajo la curva de la zona elástica.

Fig. 21.-Representación gráfica donde se indica cómo el módulo de resilencia (correspondiente al

área sombreada) a partir de la curva de tracción.

5.-Tenacidad

La tenacidad de un material es una medida de la capacidad de un material de absorber energía antes

de la fractura. La geometría de la probeta así como la manera con que se aplica la carga son

importantes en la determinación de la tenacidad.

La tenacidad puede ser evaluada a partir de los resultados del ensayo de tracción. Es el área bajo la

curva tensión-deformación hasta la fractura.

Para que un material sea tenaz, debe poseer tanto alta resistencia como ductilidad y a menudo, los

materiales dúctiles son más tenaces que los frágiles.

La tenacidad también se la suele definir como la energía por unidad de volumen que puede absorber

un material antes de romperse. Gráficamente es equivalente al área debajo de la curva.

Fig. 22.- Interpretación gráfica de la tenacidad que se representa como el área debajo de la curva.



A continuación analizaremos ejemplos donde se aplican los conceptos de tenacidad y ductilidad y

como puede determinarse de forma gráfica.

Fig. 23.- Curvas tensión-deformación convencional de algunos metales

Observando atentamente la Fig 23, podemos responder las siguientes preguntas:

a) ¿Cuál material es más tenaz?

Respuesta: el Al 2024 Tempered tiene un mayor área sobre la curva.

b) ¿Cuál material es más dúctil?

Respuesta: el Al 2024 Annealed, si bien ambos poseen igual rigidez, pero este se deforma

0.25 mientras que el otro 0.22 (Al 2024 Tempered).

Conclusiones Generales

- Muchos procesos involucran el formado de materiales mediante la deformación plástica, son por

tanto factores importantes propiedades tales como resistencia, módulo de elasticidad, ductilidad

(elongación total y reducción de área).

- Para determinar las propiedades mecánicas se usan generalmente ensayos a tensión, de estos se

desarrolla la curva esfuerzo deformación (σ-ε) que son importantes para determinar el

endurecimiento por deformación y cambios de ductilidad en el material.

- El incremento en temperatura generalmente eleva la ductilidad y reduce el esfuerzo de fluencia y el

módulo de elasticidad.

- Aumento de la deformación a la misma temperatura generalmente aumenta la resistencia a la

fluencia y disminuye la ductilidad del material.



La síntesis de los conceptos vistos en esta parte se puede reflejar en la siguiente Fig. 24, donde

están expuestos en su conjunto:

Fig. 24.- Curvas Típica de tensión-deformación (σ-ε) como resultado de un ensayo de tracción.

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