PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALESMELISSA PEREZDEISY LEDEZMAMARIA BODERADRIANA GUERREROTrabajo presentado en el rea de Ciencia de los Materiales, a la Ingeniera ISABEL LINAREZ

UNIVERSIDAD DE LA COSTABarranquilla, Octubre 28 de 2013INTRODUCCINLas propiedades mecnicas de los materiales, inicialmente nos permiten diferenciar un material de otro ya sea por su composicin, estructura o comportamiento ante algn efecto fsico o qumico. Estas propiedades son usadas en los materiales de acuerdo a algunas necesidades desarrolladas en la medida que ha pasado la historia, dependiendo de los gustos y propiamente de aquella necesidad en donde se enfoca el tipo de material para que este solucione acabalidadla exigencia creada.Lamecnicade los materiales estudia lasdeformacionesunitarias y desplazamiento de estructuras y sus componentes, cuando los materiales prestan un servicio, estn sometidos a fuerzas o cargas, ejemplo de ello son los revestimientos refractarios de los hornos, las aleaciones de aluminio con las que se construyen las alas de los aviones el acero de los ejes de los automviles o las vigas y pilares de los edificios. Las propiedades mecnicas de un material reflejan la relacin entre la fuerza aplicada y la respuesta del material (es decir, su deformacin). Algunas de las propiedades mecnicas ms importantes son la resistencia, la dureza, la ductilidad y la rigidez.

PROPIEDADES MECNICAS DE LOS MATERIALESLas propiedades mecnicas pueden definirse como aquellas que tienen que ver con el comportamiento de un material bajo fuerzas aplicadas. Las propiedades mecnicas se expresan en trminos de cantidades que son funciones del esfuerzo o de la deformacin o ambas simultneamente.

Las propiedades mecnicas fundamentales son la resistencia, la rigidez, la elasticidad, la plasticidad y la capacidad energtica. La resistencia de un material se mide por el esfuerzo segn el cual desarrolla alguna condicin limitativa especfica. Las principales condiciones limitativas o criterios de falla son la terminacin de la accin elstica y la ruptura. La dureza, usualmente indicada por la resistencia a la penetracin o la abrasin en la superficie de un material, puede considerarse como un tipo o una medida particular de la resistencia. La rigidez tiene que ver con la magnitud de la deformacin que ocurre bajo la carga; dentro del rango del comportamiento elstico, la rigidez se mide por el mdulo de elasticidad. La elasticidad se refiere a la capacidad de un material de deformarse no permanentemente al retirar el esfuerzo. El trmino plasticidad se usa para indicar la capacidad de deformacin en el rango elstico o plstico sin que ocurra ruptura; un ejemplo de medicin de la plasticidad es la ductilidad de algunos metales, llamados dctiles. La capacidad de un material para absorber energa elstica depende de la resistencia y la rigidez; por ejemplo, la capacidad energtica en el rango de accin elstica se denomina resiliencia; la energa requerida para romper un material se denomina tenacidad.

1. ENSAYO DE TENSION

Elensayo de traccin o ensayo a la tensin se utiliza para evaluar la resistencia de metales y aleaciones. Consiste en someter a unaprobetanormalizada a un esfuerzo axial de traccincreciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza esttica o aplicada lentamente. Las velocidades de deformacin en un ensayo de tensin suelen ser muy pequeas ( = 104a 102s1).En un ensayo de traccin pueden determinarse diversas caractersticas de los materiales elsticos: Mdulo de elasticidado Mdulo de Young, que cuantifica la proporcionalidad anterior. Es el resultado de dividir la tensin por la deformacin unitaria, dentro de la regin elstica de un diagrama esfuerzo-deformacin.

Coeficiente de Poisson, que cuantifica la razn entre el alargamiento longitudinal y el acortamiento de las longitudes transversales a la direccin de la fuerza.

Lmite de proporcionalidad: valor de la tensin por debajo de la cual el alargamiento es proporcional a la carga aplicada.

Lmite de fluenciao lmite elstico aparente: valor de la tensin que soporta la probeta en el momento de producirse el fenmeno de la cedencia o fluencia. Este fenmeno tiene lugar en la zona de transicin entre las deformaciones elsticas y plsticas y se caracteriza por un rpido incremento de la deformacin sin aumento apreciable de la carga aplicada.

Lmite elstico(lmite elstico convencional o prctico): valor de la tensin a la que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.) en funcin del extensmetro empleado. Es la mxima tensin aplicable sin que se produzcan deformaciones permanentes en el material.

Carga de rotura oresistencia a traccin: carga mxima resistida por la probeta dividida por la seccin inicial de la probeta.

Alargamiento de rotura: incremento de longitud que ha sufrido la probeta. Se mide entre dos puntos cuya posicin est normalizada y se expresa en tanto por ciento.

Estriccin: es la reduccin de la seccin que se produce en la zona de la rotura.MUESTRA DE UN ENSAYO DE TENSION CON UNA BARRA DE COBRE

Probeta de cobre durante el ensayo de traccin.

Probeta de cobre fracturada despus del ensayo de traccin.

Curva tensin-deformacin obtenida y grafica obtenida por computador

2. ENSAYO DE IMPACTOMtodo para determinar el comportamiento del material sometido a una carga de choque en flexin, traccin o torsin. La cantidad que suele medirse es la energa absorbida al romperse la probeta en un solo golpe, como en el ensayo de impacto Charpy, el ensayo de impacto Izod y el ensayo de tensin por impacto. Los ensayos de impacto tambin se realizan sometiendo las probetas a varios golpes de intensidad creciente, como en el ensayo de impacto con cada de bola y el ensayo de impacto con golpe repetido.ENSAYO DE IMPACTO CHARPYLos impactos de ensayo a flexin son realizados con la ayuda del pndulo de Charpy, con una energa que sobrepasa los 30 kgf.cm. El esquema de ensayo se muestra en la figura:

PROCEDIMIENTOPara realizar el ensayo de impacto en barras ranuradas se procede as:a) Se pesan las probetas.

b) Luego, sin instalar probeta alguna se eleva el pndulo y se engatilla, para ser liberado luego. Se deja que el pndulo realice unos cuantos vaivenes (3) y se detiene. La energa gastada en este proceso se anota.

c) Se instala la probeta en los apoyos, se engatilla y suelta el pndulo, producindose la rotura de la probeta. Luego de detenido se anota la energa aplicada en el proceso.

d) Se calcula la energa cintica, aplicada a las fracciones de probeta. Se realiza el clculo de la energa invertida en la rotura de la probeta.

e) Se repiten los pasos c) y d) para las otras probetas.

ENSAYO DE IMPACTO IZOD

Es un tipo de ensayo destructivo dinmico de resistencia al choque que utiliza elPndulo de Charpycomo herramienta. Este procedimiento se lleva a cabo para averiguar latenacidadde un material, ya que al realizarlo obtenemos suresiliencia.El ensayo consiste en romper una probeta de seccin cuadrangular de 10x10 mm a travs de tres entalladuras que tiene situadas en distintas caras. El procedimiento se repite para cada entalladura. La resiliencia se obtiene de la media de los datos obtenidos en los tres pasos. El ensayo Izod difiere delensayo Charpyen la configuracin de la probeta de entallada.

3. DEFORMACIONES Y TIPOS DE DEFORMACIONES

DeformacinSimple

Se refiere a los cambios en las dimensiones de un miembro estructural cuando se encuentra sometido a cargas externas.

Estas deformaciones sern analizadas en elementos estructurales cargados axialmente, por lo que entre las cargas a estudiar estarn las detensinocompresin. Ejemplo-Los miembros de una armadura.

- Las bielas de los motores de los automviles.

- Los rayos de las ruedas de bicicletas.

- Etc.Esta ecuacin da la intensidad del esfuerzo, slo esvalida siel esfuerzo est uniformemente distribuido sobre laseccintransversal. Esta condicin se cumple si la fuerza axial P actaa travsdelcentroidedel rea donde se encuentra aplicada la fuerza.

DeformacinReal y Unitaria

La deformacin es el proceso por el cual una pieza, metlica o no metlica, sufre una elongacin por una fuerza aplicada en equilibrio esttico o dinmico, es decir, la aplicacin de fuerzas paralelas con sentido contrario; este puede ser resultado, por ejemplo de una fuerza y una reaccin de apoyo, un momento par o la aplicacin de dos fuerzas de igual magnitud, direccin y sentido contrario (como es el caso de los ensayos de tensin y compresin).

Ladeformacinunitaria, se puede definir como la relacin existente entre ladeformacintotal y la longitud inicial del elemento, la cual permitir determinar ladeformacindel elemento sometido a esfuerzos detensino compresinaxial.

Por lo tanto laecuacinque define la deformacin unitaria un material sometido a cargas axiales est dada por:

La respuesta de los materiales a las fuerzas aplicadas depende de:1.- Tipo de enlace.

2.- Disposicin estructural de los tomos o molculas.

3.-Tipo y nmero de imperfecciones, que estn siempre presentes en los slidos, excepto en raras circunstancias.

As, fijada la solicitacin exterior es evidente que la deformacin que se origina y, en consecuencia, la tensin creada en el slido elstico dependen de las fuerzas de atraccin molecular, es decir, de la estructura cristalina del material. A pesar de la considerable complejidad de los materiales ingenieriles todos los materiales sometidos a cargas se pueden clasificar en tres grupos principales de acuerdo con el mecanismo que ocurre durante su deformacin bajo las fuerzas aplicadas. (I).- MATERIALES ELASTICOS (Por ejemplo, los cristales inicos y covalentes).

(II).- MATERIALES ELASTOPLASTICOS (Por ejemplo, los metales estructurales).

(III).- MATERIALES VISCOELASTICOS (Por ejemplo, los plsticos, los vidrios).

A su vez los tipos bsicos de deformacin de los materiales como respuesta a las fuerzas aplicadas son tres: 1.- ELASTICO.

2.- PLASTICO.

3.- VISCOSO.La deformacin de cualquier pieza est relacionada con varias variables, como son el rea transversal a la aplicacin de la fuerza (es decir, que la fuerza y elreaformen un ngulo de 90), la longitud inicial de la pieza y el mdulo de elasticidad (al cual nos referiremos ms adelante).Luego tenemos una primera frmula para hallar la deformacin de un material:

= (PL)/(AE), Donde:P: Fuerza aplicada a la Pieza

L: Longitud Inicial de la Pieza

A: rea transversal a laaplicacinde la fuerza

E: Modulo de Elasticidad del Material

Es importante resaltar que larelacin(P/A), se mantiene constante,asocurran cambios en las longitudes iniciales de una pieza A y una pieza B, con longitudes L1 y L2, mientras se mantenga la relacin (P/A) y el material no cambie (ejemplo, un acero de bajo carbono). Ahora, reordenemos la ecuacin, si tenamos:= (PL)/ (AE)Definimos la deformacin unitaria como:

= (/L)Y el esfuerzo axial, como larelacinde fuerza sobre rea transversal:

= (P/A)Tendremos, al reemplazar en la ecuacin inicial, la ley de Hooke:

= E*Llamada as en honor del matemtico ingls Robert Hooke (1635-1703). La ley de Hooke es de vital importancia en la ciencia eingenierade materiales, por tanto permite relacionar en una sola ecuacin solo dos variables (el esfuerzo aplicado y la deformacin unitaria) y de esta manera generalizar el clculo de ladeformacintanto para piezas de enormes dimensiones como para simples probetas.Deformaciones Unitarias Trmicas Los elementos de un cuerpo tienden a dilatarse o contraerse cuando se calientan o se enfran respectivamente, y las deformaciones que se presentan se denominan deformaciones unitarias trmicas. Si los elementos se pueden deformar libremente, las deformaciones unitarias trmicas no vienen acompaadas de tensiones, pero si se restringe la deformacin, como ocurre en el caso de la mampostera refractaria, aparecen tensiones trmicas.

Los materiales refractarios en servicio estn sujetos a fuertes tensiones mecnicas debidas, en la mayor parte de los casos, a las dilataciones de la mampostera refractaria (Fuerzas debidas a la expansin trmica), como es el caso de los refractarios en el horno de cemento. La mayor o menor capacidad de un material para absorber dichas tensiones, deformndose sin romperse, ser una de las causas de buen comportamiento del material refractario en las instalaciones.

Las deformaciones unitarias trmicas vienen dadas por:,donde: = Coeficiente de dilatacin lineal del material.

T= Cambio de temperatura.

L = Dimensin final.

Lo = Dimensin inicial

Asumiendo que la mampostera refractaria est totalmente restringida, es decir los elementos no pueden variar sus dimensiones en la magnitud: L = 0L0 = L0 T su dimensin final ser la misma que la inicial.

Cada material tiene unas propiedades mecnicas definidas (elasticidad, plasticidad, maleabilidad, dureza, etc.), entre ellas la que nos atae en un primer momento, es la Resistencia Mecnica. La elaboracin de un diagrama de esfuerzo-deformacin unitaria varia de un material a otro, (incluso se hara necesario incluir otras variables como la temperatura y la velocidad de aplicacin de la carga), sin embargo es posible distinguir algunas caractersticas comunes entre los diagramas esfuerzo-deformacin de distintos grupos de materiales, y dividir los materiales en dos ampliascategorascon base en estascaractersticas. Habrasmateriales dctiles y materialesfrgiles.Diagrama Esfuerzo-Deformacin Unitaria

Este diagrama generalizado, es un ejemplo de un material dctil, es decir, que el material fluyedespusde un cierto punto, llamado punto de fluencia. La ley de Hooke solo es aplicable para la zona elstica, que es la zona que est antes del punto de fluencia, zona donde el material tiene una relacin de proporcionalidad del esfuerzo y la deformacin unitaria.Podramospensar que la deformacin es siempre unfenmenonegativo, indeseable por tanto produce esfuerzos y tensiones internas en el material. Ladeformacinde los materiales produce mayores niveles de dureza y de resistencia mecnica, y es utilizado en algunos aceros que no pueden ser templados por su bajo porcentaje de carbono. El aumento de dureza pordeformacinen un metal se da fundamentalmente por el desplazamiento de lostomosdel metal sobre planos cristalogrficosespecficosdenominados planos de deslizamiento.Para entender a laperfeccinel comportamiento de la curva Esfuerzo-Deformacin unitaria,se debetener claro los conceptos que hacen referencia a las propiedades mecnicas de los materiales que describen como se comporta un material cuando se le aplican fuerzas externas,y a las diferentes clases de estas mismas a las cuales pueden ser sometidos.

4. DIAGRAMAESFUERZODEFORMACIN

Esla curva resultante del ensayo a traccin que representa los valores del esfuerzo y la correspondientedeformacinunitaria=(lfli)/liproducidaenlaprobeta.

a) Lmitedeproporcionalidadp

SeobservaquevadesdeelorigenOhastaelpuntollamadolmitedeproporcionalidad,es un segmentoderectarectilneo,dedonde sededucela tanconocida relacindeproporcionalidad entrela tensiny ladeformacin enunciadaenelao 1678porRobertHooke.=E*

b) LmitedeelasticidadolimiteelsticoeEslatensinmsalldelcualelmaterialnorecuperatotalmentesuformaoriginal al ser descargado,sinoquequedacon una deformacin residualllamada deformacin permanente.

c) Puntodefluenciaf

Esaqueldondeenelapareceunconsiderable alargamientoofluencia del material sinel correspondiente aumentodecarga que,incluso,puededisminuirmientras duralafluencia.Sin embargo,elfenmenodelafluenciaescaractersticodel aceroalcarbono,mientrasquehayotros tiposde aceros,aleaciones yotros metalesymaterialesdiversos,enlosquenomanifiesta.

d) Esfuerzomximomax

Eslamximaordenadaenlacurvaesfuerzodeformacin.

e) EsfuerzodeRoturau

Verdaderoesfuerzogeneradoenunmaterialdurantelarotura.

BIBLIOGRAFIA[1] BEER, F., JOHNSTON, E y , CLAUSSEN,W. (2007). Mecnica de Materiales. China: McGraw-Hill Interamericana.

[2] WILLIAN, S.,(2005). Ciencia e Ingeniera de Materiales. Tercera Edicin. [3] Metalografa, Propiedades Mecnicas de los Materiales, [internet], disponible en: http://blog.utp.edu.co/; [acceso: Octubre 14 2013][4] gora Escola de Treball, Diagrama de esfuerzo Deformacin, [internet], disponible en: http://agora.escoladeltreball.org/; [acceso: Octubre 20 2013]