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Tema 2: Propiedades de los Materiales Metálicos.

1. Propiedades mecánicas.

2. Mecanismos de deformación.

3. Comportamiento elasto-plástico.

4. Comportamiento viscoso (fluencia y relajación).

5. Comportamiento dinámico: impacto y fatiga.

6. Mecanismos de fractura en metales

MATERIALES II

Curso 2018-2019. Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara

Profesora Ana M.ª Marín Palma

• Definición:

“Son los parámetros que definen el comportamiento de losmateriales frente a acciones mecánicas.”

• Pueden variar con el tiempo (durabilidad y envejecimiento) o porlas condiciones ambientales.

• El comportamiento de los materiales frente a acciones de tipomecánico está ligado a su microestructura.

• Las propiedades se pueden determinar mediante ensayos decaracterización.

Propiedades mecánicas

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2

• Son todas las variaciones del medio que movilizan mecanismosde tensión en los materiales.

• Por tanto, producen cargas mecánicas sobre el material.

• Pueden ser acciones mecánicas directas (fuerzas, desplazamientosimpuestos o momentos) o indirectas.

• Las acciones higrotérmicas pueden suponer acciones mecánicassobre materiales que tienen limitado su desplazamiento(dilatación térmica o entumecimiento).

• Dependiendo de la velocidad de carga, se consideran comoestáticas (lentas) o dinámicas (rápidas y normalmenterepetitivas).

• En función de la duración de la carga pueden ser variables opermanentes (de larga duración).

Acciones mecánicas sobre los materiales

• Las cargas mecánicas que soportan los materiales de un edificioson consecuencia de las acciones exteriores.

• Tipos de cargas: fuerzas, momentos, desplazamientos…

• Cuando se aplica una carga sobre un material, este respondeponiendo su microestructura en tensión para alcanzar el equilibrio(Principio de acción y reacción).

• La tensión () se define como el esfuerzo mecánico que realiza unmaterial para responder a una carga.

• Se mide en unidades de presión:

1MPamm

N1

cm

kg10

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Carga y tensión

3

4

3

Existen varios tipos de esfuerzos mecánicos:

• Con respecto a un eje (axiles): Compresión

Tracción

• Con respecto a un plano: Cortante

• Giro de un par de fuerzas con respecto a un eje: Torsión

• Combinación de esfuerzos axiles: Flexión

Esfuerzos mecánicos sobre los materiales

Esfuerzo de

Tracción

Esfuerzo de

Cortante

Esfuerzo de

Torsión

Esfuerzo de

Compresión

Esfuerzo de

Flexión

Esfuerzos mecánicos sobre los materiales

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6

4

• Las tensiones producidas por una carga axil (fuerzas decompresión o de tracción) son inversamente proporcionales a lasección de la pieza (área).

A

P=

(Unidades: kg/cm2,

N/mm2, MPa)

F

F

A

Cargas y tensiones axiles (tracción y compresión)

F

F

A

F

Flexión: tipo de esfuerzo que presenta un elemento alargadoapoyado al menos en dos puntos cuando actúa una carga enperpendicular a su eje longitudinal.

W

Mf=f

Mf: momento flector máximo de la sección

(depende de la carga aplicada)

W: módulo resistente de la sección (depende

de la forma de la muestra)

Cargas y tensiones de flexión

(Unidades: kg/cm2, N/mm2, MPa)

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8

5

Se determina por el cociente entre la carga aplicada y lasuperficie de la sección rota.

Este ensayo se realiza por cizallamiento y dependiendo delnúmero de secciones rotas, existen dos expresiones paradeterminar la resistencia a cortadura.

Tensión de rotura a cortadura

(Unidades: kg/cm2, N/mm2, MPa)A

AA

A

2A

• Cuando una pieza de un determinado material se cargamecánicamente, se produce un desplazamiento medible.

• Este desplazamiento es fruto de la deformación microestructuraldel material (las partículas de material se acercan o se alejan entresí).

• La deformación es unitaria (adimensional).

• La deformación unitaria longitudinal (axial) es la relación entre elincremento de longitud y la longitud inicial:

L

ΔLεL =

Movimiento y deformación

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• Cuando una pieza de un determinado material sufre una cargaaxial, se produce una Longitudinal y una Transversal.

• Ambas deformaciones son perpendiculares entre sí y se relacionanmediante el Coeficiente de Poisson ():

• El signo negativo compensa el hecho de que Longitudinal y Transversal

son de signo contrario

• El Coeficiente de Poisson () depende del material.

L

T

ε

ε-=

Coeficiente de Poisson

• La respuesta mecánica de los materiales bajo carga se puedeexplicar desde una escala atómica.

• Un material descargado tiene sus átomos en equilibrio por acciónde las fuerzas electromagnéticas (enlaces).

• Al cargar el material, los átomos se juntan o se separan,aumentando las fuerzas interatómicas (repulsión o atracción) yproduciendo tensiones.

• A esta escala, todos los materiales muestran una tensiónproporcional a la deformación (E es constante y se denominaMódulo de Elasticidad teórico).

Mecanismos de deformación(Escala microscópica)

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• La existencia de defectos en los materiales cristalinos(dislocaciones, fisuras, poros) modifican su comportamientomecánico a escala macroscópica.

• A esta escala, la tensión no es proporcional a la deformación (Eno es constante, salvo para tensiones muy bajas).

• Además, los materiales con estructura amorfa presentancomportamientos diferentes a los cristalinos.

• Se pueden distinguir varios tipos de mecanismos de deformación.

Mecanismos de deformación(Escala macroscópica)

Mecanismos de deformación(Escala macroscópica)

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Microestructura cristalina (cobre)

Microestructura cristalina (metales)

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• Los principales mecanismos de deformación son tres:

Deformación elástica

Deformación plástica

Deformación viscosa

• Se trata de mecanismos teóricos que, aunque no se dan puros enla realidad, permiten estudiar y analizar los materiales.

• Estos mecanismos se suelen combinar (elasto-plástico, visco-elástico, etc.)

Tipos de Mecanismos de deformación

• La deformación instantánea producida por la carga esrecuperable (vuelve a su forma original al cesar la carga).

• Si además cumple la Ley de Hooke, es elástico lineal.

• Esta proporcionalidad entre y se cumple hasta un valor detensión límite, llamado Límite elástico (0).

• La deformación hasta este punto es elástica (el).

tanθε

σE

el

0 ==

0

el

Comportamiento elástico

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• La deformación instantánea del material aumenta a tensiónconstante.

• La deformación es no recuperable y reversible

• Aparece combinado con un comportamiento elástico previo(elasto-plástico), una vez alcanzado el Límite elástico (0)(también llamado Límite de cedencia).

0

el

pl

el

total

pleltotal εεε +=

Comportamiento plástico (metales)

Comportamiento mecánico metales

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• En los materiales “reales”, el 0 se calcula referido al Módulo deYoung en el origen de la gráfica tensión / deformación, referido auna de 0,002 (0,2 %).

Límite elástico de materiales

• La Ductilidad o Deformabilidad es la capacidad de deformaciónhasta rotura de un material.

• El área bajo la gráfica / es la Energía absorbida por el materialen la fase de carga. Depende de la velocidad de carga:

• Tenacidad: energía de deformación absorbida por elmaterial hasta rotura, bajo una carga lenta. → Indica eltrabajo desarrollado por un material cuando se deforma yrompe bajo una carga lenta

• Resiliencia: energía de deformación absorbida por elmaterial hasta rotura, bajo una carga rápida (impacto).

• El área bajo la gráfica / en la fase de descarga es la Energíadevuelta.

• La diferencia (Eabs-Edev) es la Energía disipada por el material.

Ductilidad, Tenacidad y Resiliencia

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Descargado

Orientación de los granos de un metal por tensiones de tracción

Cargado

Los granos se orientan en la dirección de la tensión, deformándose.

Para que uno se deforme, los adyacentes deben deformarse también.

Comportamiento plástico (metales)

• Se trata de modificar el material, para que resista mayorestensiones.

• Procedimientos:

- Reducción del tamaño de los granos (dificulta la orientación delos granos y reduce la deformación).

- Incorporación de impurezas (aleaciones).

- Deformación en frío: aumenta el límite elástico.

• En general, los procesos de endurecimiento reducen la ductilidaddel material.

Endurecimiento

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• La deformación diferida del material aumenta bajo cargaconstante a lo largo del tiempo y sin alcanzar 0.

• Se diferencia del comportamiento plástico porque:

- Depende del tiempo.

- No se supera el Límite elástico del material.

• Se puede decir que el material sólido en tensión “fluye” como unlíquido con elevada viscosidad.

• Se manifiesta asociado a los comportamientos anteriores: visco-elástico y visco-elasto-plástico.

Comportamiento viscoso

Fluidos Viscosidad aproximada

(mPa·s)

Vidrio 1043

Vidrio Fundido 1015

Betún 1011

Polímeros fundidos 106

Miel líquida 104

Glicerol 103

Aceite de oliva 102

Agua 100

Aire 10-2

Comportamiento viscoso

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• Son fenómenos producidos por el comportamiento viscoso de losmateriales (a largo plazo).

• Fluencia: aumento de la deformación en el tiempo de un materialsometido a tensión constante.

• Relajación: reducción de la tensión de un material en el tiemposometido a una deformación constante.

Fluencia

P

ti = 0

P

tf = nRelajación

i > f

Fluencia y Relajación

Curva de deformación por fluencia bajo carga constante

(Material con comportamiento visco-elasto-plástico)

ESTACIONARIATRANSITORIA ACELERADA

Fluencia

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• La respuesta mecánica de los materiales depende de la velocidadde carga y del número de repeticiones.

• Normalmente los materiales muestran mayor resistencia alaumentar la velocidad de carga (impactos).

• Se distinguen tres parámetros de caracterización:

Resistencia a impacto: aplicación de una carga muy rápida. Elmaterial responde absorbiendo energía (Resiliencia).

Fatiga: aplicación de cargas repetidas inferiores a la resistenciaestática y repetidamente hasta rotura. La rotura se produce atensiones inferiores a la resistencia estática.

Amortiguamiento: Capacidad de disipación de energía.

Comportamiento frente a acciones dinámicas

• Cuando un material se somete a esfuerzos de diferente magnitudy/o sentido, se rompe con cargas inferiores a la de rotura concarga constante.

• Afecta a todos los materiales.

• Se produce por el crecimiento de defectos existentes en losmateriales (fabricación, procesado, etc.)

• Produce la rotura por la repetición de la carga y no por laduración (no confundir con fluencia).

• Para algunos materiales, hay un valor por debajo del cual no hayfatiga (Límite de fatiga).

Fatiga

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Tensión media

Tensión máxima

Tensión mínima

Tensión variable

Tiempo

Fatiga

• El tipo de carga aplicada y la intensidad condicionan el límite de fatiga.

• Tipos de cargas:

ALTERNATIVAS: invierten el signo de la acción (tracción y compresión).

INTERMITENTES: van desde cero a un máximo cada periodo, pero siempre con el mismo signo.

PULSATORIAS: varían entre dos valores, distintos de cero, pero del mismo signo.

Fatiga

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Tensión máxima

Tensión media

Tensión mínima

Tensión media

Tensión variable

Tensión variable

Tensión variable

TiempoCompresión

Tracción

• Los materiales tienen una capacidad de soportar tensioneslimitada, llamada resistencia mecánica.

• La fractura es el fallo de un material cuando se supera sucapacidad mecánica (se produce la rotura).

• La estructura y composición de un material, junto con losdefectos (dislocaciones, fisuras, poros) determinan la capacidadmecánica y el tipo de fractura.

• La fractura depende de otros factores: velocidad de carga ytiempo de aplicación, historia de carga, repetición de la carga,estado tensional del material.

Mecanismos de fractura

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• Están relacionados con los mecanismos de deformación:

Frágil: baja deformación en rotura (elástico).

Dúctil: alta deformación en rotura (muy plástico).

Por fluencia: rotura por deformación diferida (viscoso).

Por fatiga: cargas repetidas inferiores a máxima.

Frágil Poco dúctil Dúctil Por Fluencia

Tipos de fractura

DeformaciónDependencia

del tiempoRecuperable

Tipo de

fractura

Elástica NO SI Frágil

Plástica NO NO Dúctil

Viscosa SI NO Fluencia

Visco-elásticaNO

(depende de la

repetición de carga)

Parcialmente Fatiga

Resumen de comportamiento mecánico

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• Es la propiedad de un Material que indica la resistencia a serdeformado en su superficie, por la acción mecánica de uncuerpo.

• Se determina mediante magnitudes relativas (por comparación).

• Se aplica una carga conocida con el elemento agudizado (punta)sobre la superficie de una probeta.

• La acción que se aplique determina el tipo de Dureza(Rockwell, Vickers, Brinell, Shore).

Dureza de los materiales

• Es la resistencia que ofrece un material al desgaste por rozamiento.

(Importante en materiales sometidos a este tipo de agresiones tanto por agentes exteriores, como mecánicos).

• Se mide mediante el Coeficiente de desgastabilidad:

“Perdida de volumen por unidad de superficie expuesta a la abrasión que experimenta un material de construcción cuando esta sometido al ensayo de desgastabilidad”

(Tiene dimensiones de longitud, ya que es una relación entre volumen y superficie)

Desgastabilidad

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• El comportamiento mecánico de los materiales se caracterizamediante ensayos sobre muestras o probetas.

• Pueden ser destructivos (se rompe la probeta) o no destructivos (laprobeta se puede ensayar de nuevo).

• Los resultados de los ensayos nos permiten conocer lasresistencias, rigidez, dureza y el comportamiento dinámico de losmateriales.

• Es necesario realizar series de ensayos para calcular los valorescaracterísticos y medios de cada propiedad.

Ensayos de caracterización mecánica

• Se somete a una probeta de material de dimensiones conocidas acargas mecánicas hasta rotura.

• La geometría del ensayo y la probeta y el tipo de carga dependedel tipo de material y tipo de esfuerzo: (Tracción,compresión, cortante, flexión, torsión, etc.)

• Se mide la carga y el desplazamiento sufrido y se calcula latensión y la deformación.

• Conocida la curva / , se puede calcular el Módulo de Young,límite elástico, ductilidad, tenacidad y mecanismos dedeformación principales.

Ensayos de resistencia

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Ensayo de resistencia a tracción

Mecanismo del ensayo

Ensayo de resistencia a flexión

(Unidades: kg/cm2, N/mm2, MPa)

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• Se utilizan para conocer la resistenciasuperficial de los materiales frente a lapenetración de un elemento agudizado.

• Se aplica una carga conocida con el elementoagudizado (punta) sobre la superficie de unaprobeta.

• Se mide la huella dejada en la probeta.

• Existen diferentes puntas y escalas de medidaadecuadas a cada material: Rockwell, Vickers,Brinell, Shore.

Durómetro

Ensayos de dureza superficial

• La resistencia de los materiales depende de la velocidad de cargay del número de repeticiones.

• Ensayos de impacto: Se aplica una carga muy rápida (impacto),se mide la deformación producida y se calcula la Resiliencia(energía absorbida).

• Ensayos de fatiga: cargas repetidas inferiores a la resistenciaestática y repetidamente hasta rotura.

La rotura se produce después de un número de ciclos.

Se repite el ensayo para diferentes cargas.

• Algunos materiales presentan una Ley de fatiga (resistencia bajocargas repetidas < bajo carga estática)

Ensayos de comportamiento dinámico

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Péndulo de Charpy

Probetas ensayadas a impacto

Ensayos de impacto

Mecanismo de ensayo

de fatiga a tracción

Gráfica de ensayo de un

material con límite de fatiga

Ensayo de fatiga

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Tema 2: Propiedades de los Materiales Metálicos.

1. Propiedades mecánicas.

2. Mecanismos de deformación.

3. Comportamiento elasto-plástico.

4. Comportamiento viscoso (fluencia y relajación).

5. Comportamiento dinámico: impacto y fatiga.

6. Mecanismos de fractura en metales

Glosario de conceptos del Tema

•Propiedades mecánicas •Deformación elástica •Impacto

•Acciones mecánicas •Límite elástico •Amortiguamiento

•Tipos de acciones •Ley de Hooke •Fractura: tipos

•Carga: tipos •Deformación plástica •Deformación-Fractura

•Tensión •Deformación viscosa •Dureza

•Esfuerzos mecánicos •Ductilidad •Ensayos mecánicos

•Esfuerzos axiles •Tenacidad •Ensayos resistencia

•Esfuerzos de flexión •Resiliencia •Ensayos dinámicos

•Desplazamientos •Endurecimiento

•Deformación •Fluencia

•Coef. Poisson •Relajación

•Mecanismos deformación •Comportamiento

dinámico

•Fatiga

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• Callister, W.; Ciencia e ingeniería de materiales, Ed. Reverté, 1995.

• Smith, W.; Fundamentos de ciencia e ingeniería de los materiales, Ed. McGraw-Hill, 1998.

• Normas de ensayo UNE-EN.

• Código Técnico de la Edificación (CTE):

Parte II: Documentos Básicos.

• Seguridad Estructural. DB-SE :DB-SE- A Estructuras de AceroDB-SE- F Estructuras de FábricaDB-SE- M Estructuras de Madera

Bibliografía

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