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Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman
CIENCIA DE LOS MATERIALESCIENCIA DE LOS MATERIALES20102010
COMPORTAMIENTO MECÁNICOCOMPORTAMIENTO MECÁNICO
Ciencia de los MaterialesIngeniería Industrial
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COMPORTAMIENTO MECÁNICOCOMPORTAMIENTO MECÁNICODE LOS MATERIALES METÁLICOSDE LOS MATERIALES METÁLICOS
PROPIEDADES MECÁNICAS BÁSICASPROPIEDADES MECÁNICAS BÁSICAS
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COMPORTAMIENTO MECÁNICOCOMPORTAMIENTO MECÁNICO
• Se define como comportamiento mecánico, a la respuesta quetiene un material a las solicitaciones mecánicas que se losomete. Este comportamiento se evalúa ó cuantifica medianteuna serie de propiedades que surgen de distintos tipos deensayos.
F F
FF
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• Estas propiedades se denominan genéricamente PropiedadesMecánicas
F F
F
FF
F
TracciónCompresión
Tracción Compresión Flexión Corte Torsión
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PROPIEDADES MECÁNICAS BÁSICASPROPIEDADES MECÁNICAS BÁSICAS
• Son el grupo de propiedades más importantes, dado que nopueden ser ignoradas en:
• Aplicaciones en Ingeniería
Diseño Mecánico
Selección de Materiales
• Algunas de estas propiedades se utilizan cuantitativamente en el
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• Algunas de estas propiedades se utilizan cuantitativamente en elcálculo resistencial ó Dimensionamiento (piezas y estructuras) ócomo requerimientos impuestos en las especificaciones que elmaterial debe cumplir. Las principales son:
Tensión de Fluencia
Resistencia a la Tracción
Resistencia a la Fatiga
Materia: Ciencia de los MaterialesFuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14
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ENSAYO DE TRACCIÓNENSAYO DE TRACCIÓN
• En el ensayo de tracción se somete la probeta a una cargauniaxial
• En general, se controla la velocidad de desplazamiento de unode los cabezales, de manera tal que la carga se incrementa enla medida que el material se endurece
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• Cuando se localiza la deformación (formación de un cuello en laprobeta), se produce un estado complejo de tensiones triaxiales
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ENSAYO DE TRACCIÓNENSAYO DE TRACCIÓN
• Máquina de Ensayos
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ENSAYO DE TRACCIÓNENSAYO DE TRACCIÓN
• Curva de tracción convencional para un material con zona de fluencia
P = carga uniaxial aplicada
R = P/S0 = tensión convencional
e = ∆l/l0 = deformación convencional
Rm = Pmáx./S0 = resistencia a la tracción
R
Rm
P
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ReL = PeL./S0 = tensión de fluencia
A = ∆lt/l0 = alargamiento
Z = (S0 – Sf )/S0 = reducción de área
e0
ReL
∆l
∆lu∆lt
Alarg. uniforme Estricción
Materia: Ciencia de los MaterialesFuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14
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ENSAYO DE TRACCIÓNENSAYO DE TRACCIÓN
• Curva de tracción convencional para un material sin zona de fluencia
R
Rp0.2
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Rp0.2 = P0.2/S0 = tensión de fluencia
e0
0.2 % de l0
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ENSAYO DE TRACCIÓNENSAYO DE TRACCIÓN
• Deformación Elástica y Plástica
• Al producirse una solicitación, la influencia de la misma serádeformar la estructura
• Si la solicitación es de baja intensidad, los iones se retiran desu posición, pero al cesar la misma, los iones recuperan suposición inicial (deformación elástica) σ
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posición inicial (deformación elástica)
• Si la solicitación es de alta intensidad, larecuperación no será posible y el sistemaqueda deformado permanentemente(deformación plástica)
σ
εZona ElásticaZona Plástica
∆σ
∆ε
∆σ/∆ε = E
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ENSAYO DE TRACCIÓNENSAYO DE TRACCIÓN
• Curva de tracción convencional y real
σ
Rp
Curva real
R
Rm
σε
Parámetros ingenieriles ó convencionales
R = P/S0 = tensión convencional
e = ∆L/L0 = deformación convencional
Parámetros reales ó verdaderos
σ = P/S = tensión real
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ε0
Rp0.2
0.2 % de L0
Curva convencional
e
ε = ln (L/L0) = deformación real
Relación entre “e” y “ε”
ε = ln (e + 1)
Materia: Ciencia de los MaterialesFuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14
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RESISTENCIA A LA TRACCIÓNRESISTENCIA A LA TRACCIÓN
• Es la resistencia a la deformación plástica. En el caso del ensayo detracción uniaxial se puede definir de tres maneras diferentes
1. Tensión de Fluencia (Rp0.2 ó ReL): tensión necesaria para iniciar ladeformación plástica macroscópica en un policristal. Se mide como ellímite de fluencia inferior (ReL) para los metales que presentan zona defluencia (fluencia discontinua) ó como el límite convencional de fluencia(Rp0.2) para alcanzar una deformación permanente (comúnmente 0.2 %)
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para aquellos que no la presentan
2. Resistencia a la Tracción (Rm): valor de la tensión convencional máxima.No tiene un significado físico, simplemente es una cantidad fácil de medirque da una idea de la resistencia a la deformación del metal cuando sealcanzan grandes deformaciones. Está relacionada con la dureza del metal
3. Resistencia a la deformación: es la tensión necesaria para lograr una ciertadeformación. Se utiliza solo en el campo del trabajado mecánico
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RESISTENCIA A LA TRACCIÓNRESISTENCIA A LA TRACCIÓN
• Resistencia Mecánica
• La Resistencia Mecánica es función de:
• Parámetro de Red
• Modelo geométrico
M
N
a1
a2
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• La Resistencia Mecánica es propia de cada metal, dado quetiene una estructura exclusiva
• Si el Parámetro de Red es menor para igualdad de átomosy distribución ó de iones ∴ que la fuerza de repulsión entreátomos ó iones es menor y por lo tanto mayor la resistenciaa cualquier solicitación externa
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RESISTENCIA A LA TRACCIÓNRESISTENCIA A LA TRACCIÓN
• Resistencia Mecánica
• A mayor Parámetro de Red ∴ mayor será la Ductilidad
• A mayor Parámetro de Red ∴ menor Resistencia Mecánica
M 21
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• Como a2 > a1 ∴ mayor deformación
N
a1
a2
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DUCTILIDADDUCTILIDAD
• Es la capacidad que tiene un metal para deformarse plásticamente, endeterminadas condiciones (estado de tensión, veloc. de deformación ytemperatura)
• En cualquier ensayo que involucre tensiones de tracción, la ductilidadpuede definirse:
• en términos de la deformación plástica máxima hasta alcanzar la
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rotura (ductilidad a la rotura)
• La ductilidad a la rotura se mide como el alargamiento a larotura ó por medio dela reducción de área
• en términos de la deformación plástica máxima antes de que selocalice la deformación (ductilidad uniforme)
• La ductilidad uniforme se representa mediante el alargamientouniforme
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TENACIDADTENACIDAD
• Es la energía que absorbe el metal durante la deformaciónplástica y durante el proceso de fractura
• Un material tenaz es el que al mismo tiempo poseeresistencia a la deformación y tiene gran capacidad dedeformación
σAlta resistencia, baja ductilidad y
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14ε
0
Alta resistencia, alta ductilidad y alta tenacidad
Baja resistencia, alta ductilidad y baja tenacidad
baja ductilidad y baja tenacidad
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TENACIDADTENACIDAD
• La tenacidad se puede definir y medir de tres maneras:
1. Tenacidad Estática: es la energía absorbida por la probetadurante el ensayo de tracción uniaxial y hasta la fractura. Estádada por el área bajo la curva de tracción real. Es difícil demedir y no tiene mucha aplicación en el diseño mecánico, laselección ó especificación de materiales, dado que las
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condiciones de estado de tensión σ
ε0
y velocidad de deformación enlas que se mide esta tenacidadsuelen ser muy diferentes a lasde la mayoría de las piezas enservicio. Solo es útil, comoconcepto de tenacidad
Tenacidad
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TENACIDADTENACIDAD
2. Tenacidad a la Entalla: es la energía absorbida en un ensayo deflexión por impacto en una probeta entallada (Charpy ó Izod)
• El ensayo consiste en someter al material a condicionesseveras que promueven la fractura frágil. Se expresa enJoules
3 Tenacidad a la Fractura ó Fractotenacidad: es un concepto de la
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3. Tenacidad a la Fractura ó Fractotenacidad: es un concepto de laMecánica de Fractura (fuera del alcance de la materia)
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TENACIDAD A LA ENTALLA Ó AL IMPACTOTENACIDAD A LA ENTALLA Ó AL IMPACTOENSAYO DE CHARPYENSAYO DE CHARPY
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Res
ist.
al Im
pac
to [
J]
Temp. [°C]0
Frágil Dúctil
Temp. de Transición
0-40-80
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RIGIDEZRIGIDEZ
• Se define a la rigidez como la resistencia a la deformación elástica
• La rigidez intrínseca del material se representa mediante el módulode elasticidad longitudinal E (módulo de Young) ó el módulo elásticotransversal ó de corte G (módulo de Coulomb)
• Dentro de un determinado grupo de aleaciones, éstas propiedadeselásticas, son casi insensibles a los cambios en la microestructura
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(deformación plástica, trat. térmicos, etc.)
• La rigidez de una pieza ó estructura mecánica, depende de la rigidezintrínseca del material y de la geometría ó estructura mecánica(rigidez estructural)
• Si se debe aumentar la rigidez, es mucho más lo que se puede hacercambiando el diseño de la pieza ó estructura; que eligiendo un metaldiferente
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MÉTODOS DE DUREZAMÉTODOS DE DUREZA• Dureza
• Es la resistencia que opone un cuerpo a ser penetrado ó rayado por otro más duro
• En el caso de los metales, la dureza está relacionada con la resistencia a la deformación plástica
• Clasificación
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Clasificación
Ensayos Estáticos de Penetración
BrinellRockwellVickers
Ensayos de Rebote (dinámico) Shore
Ensayos de Rayado Mohs
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MÉTODOS DE DUREZAMÉTODOS DE DUREZA
• Ensayos Estáticos de Penetración: se fuerza un indentador durocontra el material a ensayar produciendo una huella ó unaimpronta. La relación entre la fuerza aplicada y el área ó laprofundidad de la impronta, es una medida de la dureza delmaterial.
• Ensayos de Rebote: un objeto de dimensiones y masa
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• Ensayos de Rebote: un objeto de dimensiones y masaconocidos (bolilla), se hace rebotar contra el material aensayar. La altura del rebote, es una medida de la dureza delmaterial
• Ensayos de Rayado: se establecen escalas, donde un materiales capaz de rayar a los que están por debajo de la escala.
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MÉTODOS DE DUREZAMÉTODOS DE DUREZA
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Ejemplo: Si el número de dureza Brinell es de 350, determinado con una bolilla de diámetroD = 5 mm, con una carga F = 750 kgf, mantenida durante 20 s, se indicará de la siguientemanera: 350 HB 5/750/20
Materia: Ciencia de los MaterialesFuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14
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EQUIPOS PARA ENSAYOS DE DUREZAEQUIPOS PARA ENSAYOS DE DUREZA
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RELACIÓN ENTRE LA DUREZA Y LA RESISTENCIA MECÁNICARELACIÓN ENTRE LA DUREZA Y LA RESISTENCIA MECÁNICA
• Dado que tanto la resistencia mecánica como la dureza indican laresistencia a la deformación plástica de un metal, parece lógico queexista una cierta correlación
• En el caso de algunos grupos de materiales metálicos, ésta correlaciónes muy confiable, pero para otros no tanto
• En el caso de los aceros ferríticos (aceros al Carbono sin alear), enl i t d t lú i l b i ió
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cualquier estado metalúrgico, se cumple con muy buena aproximación:
HB Rm [Kg/mm2] =
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Cúbica Simple Cúbica Centrada en el Cuerpo
Cúbica Centrada en las Caras
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COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO Y TÉRMICOCOMPORTAMIENTO ELÉCTRICO Y TÉRMICO
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DE LOS MATERIALES METÁLICOSDE LOS MATERIALES METÁLICOS
Materia: Ciencia de los MaterialesFuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14
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COMPORTAMIENTO TÉRMICOCOMPORTAMIENTO TÉRMICO
• Se define como comportamiento térmico, a la respuesta quetiene un material al ser calentado
• Propiedades Térmicas
Capacidad calorífica
Dilatación térmica
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Dilatación térmica
Conductividad térmica
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COMPORTAMIENTO TÉRMICOCOMPORTAMIENTO TÉRMICO
• Capacidad Calorífica
• La capacidad calorífica es la propiedad que indica lacapacidad de un material de absorber calor de su entorno;representa la cantidad de energía necesaria para aumentarla temperatura en una unidad
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Donde:
dQ = energía necesaria para producir un cambio dT en la temp.
____=CdQ
dT
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COMPORTAMIENTO TÉRMICOCOMPORTAMIENTO TÉRMICO
• Dilatación Térmica
• La mayoría de los materiales sólidos se expanden cuandoson calentados y se contraen cuando son enfriados. Elcambio de longitud con la temperatura, puede expresarsecomo:
Donde:
∆L i ió d l it d (L L )
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• El coeficiente lineal de dilatación térmica, indica el grado dedilatación que experimenta un material cuando escalentado
____=α.∆T∆L
L0
∆L = variación de longitud (Lf – Li)
∆T = variación de temperatura (Tf – Ti)
L0 = longitud inicial
α = coefic. lineal de dilatación térmica
Materia: Ciencia de los MaterialesFuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14
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COMPORTAMIENTO TÉRMICOCOMPORTAMIENTO TÉRMICO
• Conductividad Térmica
• La conductividad térmica K, es una medida de la intensidada la que el calor se transmite a través del material. Laconductividad relaciona el calor Q transmitido a través deuna determinada sección A por segundo, cuando existe ungradiente de temperatura ∆T/∆x
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Q
∆x
∆T
A∆T= K ∆x
Q A
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COMPORTAMIENTO TÉRMICOCOMPORTAMIENTO TÉRMICO
• A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, sutemperatura y sus dimensiones aumentan
• Si se continua entregando calor, la energía puede transportarsehacia las regiones más frías de la muestra si existe ungradiente de temperatura, con lo cual, el sistema se hacealtamente dinámico
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Q> a
Sale de la estructura
• Si continuamos entregando calor,finalmente, provocaremos la fusiónde la muestra
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COMPORTAMIENTO ELÉCTRICOCOMPORTAMIENTO ELÉCTRICO
• Conductividad Eléctrica
• Algunas veces se utiliza la conductividad eléctrica (σ), para
especificar el carácter eléctrico de un material. Se definecomo el recíproco de la resistividad
Donde:
σ = conductividad eléctrica1 J
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• La resistividad eléctrica (ρ) es una propiedad intrínseca decada material
____=ρ R.AL
ρ = resistividad eléctrica
J = densidad de corriente
E = intens. de campo eléctrico
R = resistencia eléctrica
L = longitud del conductor
A = sección transv. del conductor
____=σ 1ρ
____=Rρ.L
A
____=σ JE
⇒
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COMPORTAMIENTO ELÉCTRICOCOMPORTAMIENTO ELÉCTRICO
• Conductividad Eléctrica
• Es una medida de la facilidad con que la corriente eléctricapasa a través de una unidad de volumen del material
• Efecto de la Temperatura
• Cuando se eleva la temperatura de un metal, la energía
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Cuando se eleva la temperatura de un metal, la energíatérmica provoca la vibración de lo iones, que interactúancon los electrones
• Al aumentar la temp. ⇒ la movilidad de los electronesdisminuye ∴ la resistividad aumenta (los electrones tienen
menor capacidad de conducción que actúan como vehículo de transportede cargas, que encuentran cada vez más dificultades para viajar a travésde la estructura cada vez más desordenada)
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COMPORTAMIENTO ELÉCTRICOCOMPORTAMIENTO ELÉCTRICO
• Conductividad Eléctrica
Movimiento de un electrón a t a és de n c istal pe fecto
ElectrónElectrón
Movimiento de un electrón a t é d i t l l t d
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través de un cristal perfecto través de un cristal calentado a alta temperatura
Electrón
Movimiento de un electrón a través de un cristal que
contiene defectos en la red
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COMPORTAMIENTO ELÉCTRICOCOMPORTAMIENTO ELÉCTRICO
• Resistencia Eléctrica
• Es una medida de la dificultad del paso de la corrienteeléctrica, a través de un volumen de material ó la oposiciónde la estructura al paso de los electrones
• La resistencia aumenta con la longitud y aumenta conformedi i l á d l ió l d l i l
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disminuye el área de la sección transversal del material através del cual pasa la corriente
____=Rρ.L
A
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COMPORTAMIENTO ELÉCTRICOCOMPORTAMIENTO ELÉCTRICO
• Superconductividad Eléctrica
• Cuando algunos cristales perfectos, son enfriados a unatemperatura de 0 °K, los mismos pueden comportarsecomo superconductores, dado que la resistividad se hacenula y la corriente fluye indefinidamente en el material,aumentando la conductividad (máxima)
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T = 0 °K
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