Tema 2: Propiedades Mecánicas de los Materiales Metálicos.

1. Propiedades mecánicas.

2. Mecanismos de deformación (Defectos).

3. Comportamiento elasto-plástico.

4. Comportamiento viscoso (fluencia y relajación).

5. Comportamiento dinámico: impacto y fatiga.

6. Mecanismos de fractura en metales

MATERIALES IICurso 2016-2017. Ciencia y Tecnología de la Edifica ción. C. Guadalajara

Profesor Gonzalo Barluenga Badiola

Mecanismos de deformación(Escala microscópica)

• La respuesta mecánica de los materiales bajo carga sepuede explicar desde una escala atómica.

• Un material descargado tiene sus átomos en equilibriopor acción de las fuerzas electromagnéticas (enlaces).

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

• A esta escala, todos los materiales muestran unatensión proporcional a la deformación (E es constante yse denomina Módulo de Elasticidad teórico).

Mecanismos de deformación(Escala macroscópica)

• La existencia de defectos en los materiales(dislocaciones, fisuras, poros) modifican sucomportamiento mecánico a escala macroscópica.

• A esta escala, la tensión no es proporcional a ladeformación (E no es constante, salvo para tensionesmuy bajas).

• Además, los materiales con estructura amorfapresentan comportamientos diferentes a los cristalinos.

• Se pueden distinguir varios tipos de mecanismos dedeformación.

Características derivadas de los defectos

• Los defectos puntuales:Aumentan la resistencia (traban las dislocaciones).

Disminuyen la conductividad eléctrica y térmica.

• Los defectos lineales:Disminuyen la resistencia.

Aumentan la ductilidad y la plasticidad.

• Los defectos superficiales:Influyen en la adherencia, corrosión, dureza, brillo, etc.

Fronteras de grano: cortan el desplazamiento de dislocaciones.

Mecanismos de deformación(Escala macroscópica)

Microestructura cristalina (cobre)

Microestructura cristalina (metales)

Tipos de Mecanismos de deformación

• Los principales mecanismos de deformación son tres:

Deformación elástica

Deformación plástica

Deformación viscosa

• Se trata de mecanismos teóricos que, aunque no se danpuros en la realidad, permiten estudiar y analizar losmateriales.

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

Comportamiento elástico

• La deformación instantánea producida por la cargaesrecuperable (vuelve a suforma original al cesar lacarga).

• Si ademáscumple la Ley de Hooke, es elástico lineal.

• Esta proporcionalidad entreσ y ε se cumple hasta unvalor de tensión límite, llamado Límite elástico (σ0).

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

tanθε

σE

el

0 ==σ

θ

ε

σ0

εel

Comportamiento plástico (metales)• La deformación instantánea del material aumenta a

tensión constante.

• La deformación esno recuperable y reversible• Aparece combinado con un comportamiento elástico

previo (elasto-plástico), una vez alcanzado el Límiteelástico (σ0) (también llamado Límite de cedencia).

θ

σ0

εel

εpl

σ

εεel

εtotal

pleltotal εεε +=

Comportamiento mecánico metales

CEDENCIA

Límite elástico de materiales• En los materiales “reales”, elσ0 se calcula referido al

Módulo de Young en el origen de la gráfica tensión /deformación, referido a unaε de 0,002 (0,2 %).

Ductilidad, Tenacidad y Resiliencia• La Ductilidad o Deformabilidad es la capacidad de

deformación hasta rotura de un material.

• El área bajo la gráficaσ/ε es la Energía absorbida porel material en la fase de carga. Depende de la velocidadde carga:

• Tenacidad: energía de deformación absorbida por elmaterial hasta rotura, bajo una carga lenta.

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

• El área bajo la gráficaσ/ε en la fase de descarga es laEnergía devuelta. La diferencia (Eabs-Edev) es la Energíadisipada por el material

Comportamiento plástico (metales)

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.

Endurecimiento

• Se trata de modificar el material, para que resistamayores tensiones.

• Procedimientos:

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

- Incorporación de impurezas (aleaciones).

- Deformación en frío: aumenta el límite elástico.

• En general, los procesos de endurecimiento reducen laductilidad del material.

Endurecimiento por deformación

Deformación elástica (recuperable)

Carga

Recarga

Descarga

Incremento del límite elástico

Comportamiento viscoso

• La deformación diferida del material aumenta bajocarga constante a lo largo del tiempo y sin alcanzarσ0.

• 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 un líquido con elevada viscosidad.

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

Fluencia y Relajación• Son fenómenos producidos por el comportamiento

viscoso de los materiales (a largo plazo).

• Fluencia: aumento de la deformación en el tiempo deun material sometido a tensión constante.

• Relajación: reducción de la tensión de un material en eltiempo sometido a una deformación constante.

∆ε

Fluencia

P

ti = 0

P

tf = nRelajación

σi > σf

Fluencia

Curva de deformación por fluencia bajo carga constante

(Material con comportamiento visco-elasto-plástico)

Comportamiento frente a acciones dinámicas• La respuesta mecánica de los materiales depende de la

velocidad de carga y del número de repeticiones.• Normalmente los materiales muestran mayor

resistencia al aumentar la velocidad de carga(impactos).

• Se distinguen tres parámetros de caracterización:Resistencia a impacto: aplicación de una carga muyrápida. El material responde absorbiendo energía(Resiliencia).Fatiga: aplicación de cargas repetidas inferiores a laresistencia estática y repetidamente hasta rotura. Larotura se produce a tensiones inferiores a la resistenciaestática.Amortiguamiento: Capacidad de disipación de energía.

Fatiga• Definición: fenómeno de reducción de la resistencia de

los materiales cuando se le aplican solicitacionesrepetidas inferiores a la resistencia estática.

• Afecta atodos los materiales.

• Se produce por el crecimiento dedefectos existentesen los materiales (fabricación, procesado, etc.)

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

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

Fatiga

Fatiga

Fatiga

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

Ensayos de comportamiento dinámico

• La resistencia de los materiales depende de lavelocidad de carga y del número de repeticiones.

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

• Ensayos de fatiga: cargas repetidas inferiores a laresistencia estática 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 bajo cargas repetidas < bajo carga estática)

Ensayos de impacto

Péndulo de Charpy

Probetas ensayadas a impacto

Ensayos de impacto

Ensayos de fatiga

Mecanismo de ensayo de fatiga a tracción

Gráfica de ensayo de un material con límite de fatiga

Mecanismos de fractura

• Los materiales tienen una capacidad de soportartensiones limitada, llamada Resistencia mecánica.

• La Fractura es el fallo de un material cuando se superasu capacidad mecánica (se produce la rotura).

• La estructura y composición de un material, junto conlos defectos (dislocaciones, fisuras, poros) determinanla capacidad mecánica y el tipo de fractura.

• La fractura depende de otros factores:

(velocidad de carga y tiempo de aplicación, historia decarga, repetición de la carga, estado tensional delmaterial).

Tipos de fractura

• 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 σmáxima.

Frágil Poco dúctil Dúctil Por Fluencia

Ensayo de resistencia a tracción (metales)

Ensayo de resistencia a tracción (fractura)

Ensayos de fatiga metales (fractura)

Ensayos de fluencia (largo plazo)

Resumen de comportamiento mecánico

DeformaciónDependencia del tiempo

RecuperableTipo de fractura

Elástica NO SI Frágil

Plástica NO NO Dúctil

Viscosa SI NO Fluencia

Visco-elástica

NO (depende de la

repetición de carga)

Parcialmente Fatiga

Tema 2: Propiedades de los Materiales Metálicos.

1. Propiedades mecánicas.

2. Mecanismos de deformación (Defectos).

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•Mecanismos de deformación

•Endurecimiento •Comportamiento dinámico

•Influencia de los defectos •Endurecimiento por deformación

•Impacto

•Deformación elástica •Deformación viscosa •Fatiga

•Límite elástico •Fluencia •Cargas dinámicas

•Deformación plástica •Relajación •Ley de fatiga

•Ductilidad •Ensayos mecánicos •Límite de fatiga

•Tenacidad •Ensayos dinámicos

•Resiliencia •Mecanismos de fractura

•Tipos de fractura

Bibliografía de consulta recomendada.

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

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

• Askeland, D.; Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Ed. Thomson, 1998.