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UNIVERSIDAD DEL BIO BIO
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE MECANICA
Apuntes 2 : Propiedades Mecánicas, Físicas y Químicas
Profesor : Federico Grossmann.
Asignatura : Materiales.
PROPIEDADES MECÁNICAS, FÍSICAS Y QUÍMICAS
1. PROPIEDADES MECÁNICAS
La capacidad de los materiales de resistir la acción de los esfuerzos 
exteriores se caracteriza por sus propiedades mecánicas. Por lo tanto, al elegirse 
el material para la fabricación de elementos de máquinas, ante todo se debe tener 
en cuenta sus propiedades mecánicas ( Resistencia, Elasticidad, Ductilidad, 
Tenacidad, Resiliencia y Resistencia a la Fatiga ). Estas propiedades se 
determinan por los resultados de los ensayos mecánicos, durante los cuales los 
materiales son sometidos a la acción de esfuerzos exteriores (cargas). Los 
esfuerzos exteriores pueden ser estáticos, dinámicos o cíclicos (repetición 
variable). La carga en un cuerpo sólido genera esfuerzos y deformación.
El Esfuerzo o Tensión
Es la magnitud de la carga referida a una unidad de superficie de la sección 
transversal de la muestra ensayada ( Kg./cm2 )
La Deformación
Es el cambio de la forma y las dimensiones de un cuerpo sólido bajo la 
influencia de fuerzas exteriores aplicadas. Se diferencian las deformaciones por 
tracción o compresión, por flexión, torsión y cizallamiento. En condiciones reales el 
material puede estar sometido a uno o varios tipos de deformación 
simultáneamente.
Para determinar la resistencia, elasticidad, ductilidad y tenacidad, los 
materiales se prueban a la tracción estática en forma de probetas de sección 
circular o plana. El ensayo se realiza en máquinas de ensayo de tracción. Como 
resultado de los ensayos se obtiene el diagrama de tracción, donde en el eje de 
las abscisas ( X ) se trazan los valores de la deformación y por el eje de las 
ordenadas ( Y ) las cargas aplicadas a la probeta.
La Resistencia
Es la capacidad del material a resistir la destrucción bajo la acción de las 
cargas. Se evalúa por el límite de fluencia y el límite de rotura. Un índice 
importante de la resistencia del material es también la resistencia específica, que 
es la relación del límite de resistencia del material a su densidad. El límite de 
rotura σt (resistencia temporal), es la tensión específica en Pa, N/m2, Kg/cm2, 
correspondiente a la carga máxima precedente a la destrucción de la probeta:
0A
Pmáx
t =σ
donde:
Pmáx : Carga máxima ( N ó Kg )
A0 : Superficie inicial de la sección transversal de la superficie de 
trabajo de la probeta ( m2 ó cm2 )
La Resistencia real de la rotura (σk) es la tensión determinada por la 
relación de la carga Pk en el momento de la rotura a la mínima superficie de la 
sección transversal de la probeta de la rotura Ak






=
k
k
k A
P
S
El límite de fluencia σt es la tensión mínima ( Mpa ó Kg/cm2 ), para la cuál 
se deforma la probeta sin un aumento notorio de la carga
0A
Pt
t =σ
siendo Pt la carga durante la que se observa el plano de fluencia.
El plano de fluencia lo tiene fundamentalmente sólo el acero bajo en 
carbono ( acero SAE 1010/1020 y los latones. Otras aleaciones no tienen plano 
de fluencia. Para este tipo de materiales se determina el límite de fluencia 
(convencional), para el cual el alargamiento residual asciende a 0.2% de la 
longitud calculada de la probeta
0
2.0
2.0 A
P
=σ
La Elasticidad
Es la capacidad del material a recuperar su forma inicial y las dimensiones 
al interrumpirse la acción de la carga Pel y se evalúa por el límite de 
proporcionalidad σpr y el límite de elasticidad σel.
El límite de proporcionalidad σpr es la tensión máxima (Mpa ó Kg/cm2), que 
una vez superada se pierde la proporcionalidad entre la tensión aplicada y la 
deformación de la probeta
0A
Ppr
pr =σ
El límite de elasticidad (convencional) σ0.05 es la tensión convencional en 
Mpa ó Kg/cm2 , correspondiente a la carga para la cual la deformación residual 
asciende por primera vez a 0.05 % de la longitud calculada de la probeta l0
0
05.0
05.0 A
P
=σ
siendo P0.05 la carga del límite de elasticidad.
La Ductilidad
Es la capacidad del material de adoptar nuevas formas y dimensiones bajo 
la acción de esfuerzos exteriores sin destruirse, se caracteriza por el alargamiento 
relativo y el estrechamiento relativo.
El alargamiento relativo (después de la rotura) llamado también porcentaje 
de alargamiento (%A), es la relación del incremento ( lf - l0 ) de la longitud 
calculada de la probeta después de la rotura a su longitud calculada inicial l0, 
expresado en tanto por ciento.
100*%
0
0



 −
=
l
ll
A f
El estrechamiento relativo (después de la rotura) ΔA, denominado también 
porcentaje de reducción de área, es la relación de la diferencia de la superficie 
inicial y final (A0 – Af) de la sección transversal de la probeta después de la rotura 
a la superficie inicial A0 de la sección transversal expresada en tantos por ciento:
100*
0
0



 −
=∆
A
AA
A f
Cuanto mayor es el valor del alargamiento y estrechamiento relativo tanto 
más dúctil es el material, en los materiales frágiles estos valores se aproximan a 
cero. La fragilidad de algunos materiales de construcción es una propiedad 
negativa.
La Resiliencia
Es la capacidad del material de resistir las cargas dinámicas y se determina 
como la relación del trabajo que se emplea para la fractura de la probeta W (en 
MJ) a la superficie de su sección transversal A (en m2) en el lugar de la entalla
A
WCK =*
Para los ensayos se elaboran probetas estándar especiales de sección 
cuadrada con entalla. La muestra se ensaya en máquinas de prueba de resiliencia 
de péndulo. El péndulo de la máquina en caída libre golpea la probeta del lado 
opuesto a la entalla. En éste se registra el trabajo.
Es de gran importancia la determinación de la resiliencia para algunos 
materiales que trabajan en condiciones de temperaturas bajas y que revelen 
inclinaciones a la fragilidad en frío. Cuanto menor es el umbral de fragilidad en frío, 
es decir, la temperatura para la cual la rotura resiliente pasa a la rotura frágil y 
mayor el margen de resiliencia del material, tanto mayor es la resiliencia del 
material. La fragilidad en frío es la reducción de la resiliencia a bajas temperaturas.
Tenacidad
La Tenacidad de un material es la habilidad que este posee para absorber 
energía durante la deformación plástica (capacidad para soportar esfuerzos 
ocasionales superiores al esfuerzo de fluencia, sin que se produzca la fractura). La 
tenacidad es un parámetro que involucra la resistencia mecánica y la ductilidad. La 
tenacidad es un concepto comúnmente utilizado pero difícil de medir y definir. La 
forma de concretar el concepto es medir el área bajo la curva de esfuerzo – 
deformación o mediante ensayos de impacto. Un material tenaz es aquel que 
tiene un alto límite de fluencia y una alta ductilidad.
Dureza
Es la capacidad del material de resistir la penetración en su cuerpo de otro 
más duro. Existe una relación entre la dureza de un material y la resistencia de 
éste. Deben poseer una elevada dureza las herramientas para trabajar y 
mecanizar metales: cuchillas, brocas, fresas, como también las superficies 
endurecidas de las piezas. La dureza del metal se determina con los métodos 
Brinell, Rockwell y Vickers, empleando una máquina de dureza o Durómetro.
El método Brinell, consiste en que, en la superficie plana del metal se hace 
penetrar con una carga constante una bola de acero templado. El diámetro de la 
bola y el valor de la carga se eligen en dependencia de la dureza y el espesor del 
metal que se ensaya. La dureza por el Método Brinell HB ó BHN, se determina 
en el medidor dureza de bola. 
La prueba se realiza de la manera siguiente:en la superficie de la muestra, 
cuya dureza se debe medir con una lima o esmeril, se limpia un plano de 3 a 5 
cm2. La muestra se coloca en la mesa del durómetro y se levanta ésta hasta hacer 
contacto con la bola de acero que está fijada en el husillo del aparato. Se baja la 
carga y se hace penetrar la bola en la muestra que se prueba, en la superficie del 
metal se crea una huella, cuanto mayor es la huella, más blando es el metal.
Como medida de dureza HB se adopta la relación de la carga al área de la 
superficie de la huella de diámetro d y profundidad t, la que se crea al hacer 
penetrar con la fuerza P a la bola de diámetro D.
El valor numérico de la dureza se determina de la forma siguiente: Se mide 
el diámetro de la huella por medio de una lupa con divisiones y por el valor 
obtenido se halla en la tabla especial estándar el número respectivo a la dureza.
La ventaja del método Brinell reside en la facilidad del ensayo y a la 
precisión de los resultados que se obtienen. No se recomienda medir la dureza 
con el método Brinell de materiales con HB > 450, de acero templado, por 
ejemplo, ya que durante la medición se deforma la bola y se alteran las 
indicaciones.
Para el ensayo de materiales duros se emplea el Método Rockwell. En la 
muestra se hace penetrar un cono de diamante con un ángulo de 120º o una bola 
de acero templado de 1.59 mm de diámetro. La dureza por el método Rockwell se 
mide en unidades convencionales. La magnitud de la unidad de dureza 
corresponde al desplazamiento axial de la punta en 0.002 mm. El ensayo se 
realiza en una máquina de dureza o durómetro. El valor de la dureza se determina 
por la profundidad de la huella h y se lee en el cuadrante del indicador montado en 
el equipo. En todos los casos la carga previa P0 es igual a 100 (N).
Al ensayarse metales de elevada dureza se emplea el cono de diamante y una 
carga total de
)(150010 NPPP =+=
la dureza se lee en la escala C y se designa HRC ó RC.
Si para los ensayos se emplea la bola de acero y una carga total de 1000 
(N), entonces la dureza se lee en la escala B y se designa HRB ó RB.
Al ensayarse artículos muy duros o delgados se utiliza el cono de diamante 
y una carga total de 600 (N). La dureza se registra por la escala A y se designa 
HRA ó RA. Ejemplo de designación de la dureza por el método Rockwell: HRC 
50; dureza 50 por escala C.
Al determinarse la dureza por el Método Vickers en calidad de punta que 
se hace penetrar en el material, se utiliza una pirámide tetraédrica de diamante 
con un ángulo en la punta de 136º. Para los ensayos se emplean cargas de 50 a 
1000 (N) ( las cargas menores son para determinar la dureza de las piezas 
delgadas y capas endurecidas de metal ).
El valor numérico de la dureza se determina por la forma siguiente: se 
miden las longitudes de ambas diagonales de la huella después de cesar la carga 
y con un microscopio y por el valor medio aritmético obtenido de la longitud de la 
diagonal se halla en la tabla el número correspondiente a la dureza. Ejemplo de 
designación de la dureza por el método Vickers: HV 500 ó 500 VHN.
Para la evaluación de la dureza de metales en pequeños volúmenes, por 
ejemplo, en los granos de metal o sus componentes estructurales se emplea el 
método de determinación de micro dureza. La punta ( identor ) del aparato es una 
pirámide tetraédrica de diamante (con un ángulo en punta de 136º, el mismo que 
en la pirámide para los ensayos con el método Vickers). La carga en el identor no 
es grande y asciende de 0.05 a 5 N, y la dimensión de la huella de 5 a 30 μm. El 
ensayo se realiza en el microscopio metalográfico, dotado con un mecanismo de 
carga. La micro dureza se evalúa por la dimensión de la diagonal de la huella.
Fatiga
Se denomina así al proceso de acumulación paulatina de deterioros del 
material bajo la acción de tensiones de repetición variable que acarrean grietas y 
la destrucción. La fatiga del metal está determinada por la concentración de las 
tensiones en sus distintos volúmenes, en los que hay inclusiones no metálicas, 
poros de gas, diversos defectos locales, etc. Es característica la fractura por fatiga 
que se crea después de la destrucción de la probeta como resultado de una carga 
múltiple, consistente de dos partes diferentes por su aspecto. Una parte de la 
fractura 1 con una superficie uniforme (alisada) creada a consecuencia del 
rozamiento de las superficies en la zona de las grietas surgidas a causa de las 
cargas de repetición variables, la otra parte 2 con una fractura granular surge en el 
momento de la destrucción de la probeta. Las pruebas de fatiga se realizan en 
máquinas especiales. Las más empleadas son las máquinas para la flexión de 
repetición variable de la probeta en rotación, fijada de uno o ambos extremos, 
como también las máquinas para las pruebas de tracción-compresión y a la torsión 
de repetición variable. Como resultado de las pruebas se determina el límite de 
fatiga, lo que caracteriza la resistencia a la fatiga del material.
El Límite de fatiga
Es la propiedad del material de resistir a la fatiga. El límite de fatiga es la 
tensión máxima que puede resistir el metal en determinados números de ciclos de 
cargas sin destruirse. Entre el límite de fatiga y la resistencia a la rotura existe una 
dependencia aproximada:
σ-1≈ 0.43 σt ; σ-1tr≈ 0.36 σt
siendo σ-1 y σ-1tr límites de fatiga a la flexión y tracción-compresión, 
respectivamente.
2. PROPIEDADES FÍSICAS
Se refiere a las propiedades físicas de los materiales como el color, la 
densidad, la temperatura de fusión, la conductividad térmica, la expansión térmica, 
la capacidad calorífica, la electro conductividad, las propiedades magnéticas y 
otras.
Color
Se denomina así a la capacidad de los materiales de reflejar la radiación 
luminosa de una determinada longitud de onda. Por ejemplo el cobre tiene un 
color rojo-rosado, el aluminio blanco plateado.
Densidad
Se denomina así a la característica del material, que se expresa como la 
masa contenida en una unidad de volumen. Por su densidad, los metales y 
aleaciones se dividen en livianos (menos de 4,5 g/cm3) y pesados. La densidad 
tiene gran importancia para la elaboración de distintos elementos mecánicos y 
artículos. Por ejemplo, en la construcción de aviones y la industria aeroespacial se 
busca utilizar metales y aleaciones más livianos ( aluminio 2.7, magnesio 1.74, 
titanio 4.51 ), lo que contribuye a la reducción del peso. Estos materiales están 
siendo reemplazados en algunas aplicaciones por polímeros ( PEAD 0.94 – 0.97; 
PP 0.90 – 0.91; Teflón 2.1 – 2.3; Nylon66 1.13 – 1.15 ) y materiales compuestos 
a base de fibras de vidrio, carbono y aramida ( kevlar ) reforzadas con resinas 
( con densidades entre 1.2 y 2.0 )
Temperatura de fusión
Se denomina así a aquella temperatura que siendo alcanzada por el metal, 
éste pasa del estado sólido al líquido. Por la temperatura de fusión se diferencian 
los metales de alta temperatura de fusión ( Wolframio, W 3416 ºC; Tantalio, Ta 
2950 ºC; Titanio, Ti 1670 ºC ; Hierro, Fe 1538 ºC; Cobre, Cu 1083 ºC y otros) y los 
de baja temperatura de fusión ( Estaño 232ºC, Plomo 327 ºC, Zinc 419.5 ºC, 
Aluminio 660 ºC, Magnesio 651 ºC). La temperatura de fusión tiene gran 
importancia al seleccionarse el metal o aleación para la elaboración de artículos 
fundidos, uniones soldadas, aparatos termoeléctricos y otros artículos. En 
unidades SI la temperatura de fusión se expresa en grados Kelvin (º K).
Conductividad Térmica
Se denomina así a la capacidad de los materiales de transmitir el calor 
desde los sectores de mayor temperatura a los de menor temperatura en un 
cuerpo. La plata, el cobre y el aluminio poseen una alta conductividad térmica. El 
hierro tiene una conductividad térmica cerca de tres veces menorque el aluminio y 
cinco veces menor que la del cobre. La conductividad térmica tiene una gran 
importancia en la selección del material para las piezas. Por ejemplo, si el metal 
conduce mal el calor, entonces calentándolo y enfriándolo con rapidez 
(tratamiento térmico, procesos de soldadura) puede provocar la aparición de 
grietas. Algunos elementos de máquinas (émbolos de motores, paletas de turbina) 
deben ser fabricados de materiales con una buena conductividad térmica. En 
unidades SI la conductividad térmica se expresa en (W/m*K)
Dilatación o Expansión térmica
Se denomina así a la capacidad de los metales de aumentar sus 
dimensiones al calentarse y disminuirlas al enfriarse. La expansión térmica se 
caracteriza por el coeficiente de dilatación lineal (α) representado por:
( )
( )[ ]00
0
ttl
ll
f
f
−
−
=α
donde l0 y lf son las longitudes del cuerpo a las respectivas temperaturas t0 y tf. 
El coeficiente de dilatación cúbica es igual a 3*α. Las expansiones térmicas 
deben tenerse en cuenta durante los procesos de soldadura, forjado y estampado 
volumétrico en caliente de los metales, la elaboración de moldes de fundición, 
matrices, rodillos de laminación, calibres, la elaboración de uniones de precisión y 
el armado de aparatos en la construcción de armaduras de puentes, el tendido de 
rieles ferroviarios. La contracción térmica debe tenerse presente en los procesos 
de obtención de piezas mecánicas por fundición y soldadura, durante la etapa de 
solidificación y enfriamiento de los metales.
Capacidad Calórica
Se denomina así a la capacidad del metal de absorber durante el 
calentamiento una determinada cantidad de calor. En unidades SI se expresa en 
(J/K). La capacidad calórica de distintos metales se compara por el valor del calor 
específico, que es la cantidad de calor expresada en grandes calorías, que son 
necesarias para elevar la temperatura de 1 Kg. de metal en 1 ºC .En unidades SI 
(J / Kg*K)
Electro conductividad y resistencia eléctrica
Son dos conceptos mutuamente opuestos que describen la capacidad del 
metal de conducir corriente eléctrica. La conductividad eléctrica, se evalúa en el 
SI en Siemens (Sm) y la electro conductividad específica en Sm/m, en forma 
análoga, la resistencia eléctrica se expresa en ohms (Ω) y la resistencia eléctrica 
específica en Ω/m. 
Una buena conductividad eléctrica es necesaria, por ejemplo, para 
conductores de corriente eléctrica (cobre, aluminio). Al fabricarse aparatos de 
calentamiento eléctrico y hornos se emplean aleaciones de una alta resistencia 
eléctrica ( Nicrom, Constantán y Kanthal). En los metales se tiene que al elevarse 
la temperatura disminuye su electro conductividad y al reducirse ésta aumenta.
3. PROPIEDADES MAGNÉTICAS.
Se caracterizan por una permeabilidad magnética absoluta o constante 
magnética, es decir, la capacidad de los metales de magnetizarse. En unidades SI 
la constante magnética se expresa en H/m. Poseen elevadas propiedades 
magnéticas el hierro, níquel, cobalto y sus aleaciones llamadas ferromagnéticas. 
Los materiales con propiedades magnéticas se utilizan en aparatos electrotécnicos 
y para la fabricación de imanes.
4. PROPIEDADES QUÍMICAS
Las propiedades químicas caracterizan la capacidad de los metales y 
aleaciones de resistir la oxidación o entrar en combinación con diversas 
sustancias: el oxígeno del aire, soluciones de ácidos, álcali y otras. Cuando el 
metal entra con más facilidad en combinación con otros elementos, tanto más 
rápido se destruye. La destrucción química de los metales por la acción sobre su 
superficie de un medio exterior agresivo se llama corrosión.
Los metales resistentes a la oxidación siendo calentados fuertemente se 
denominan pirro resistentes u óxido resistentes. Estos metales se emplean para la 
fabricación de piezas que se exponen en zonas de temperaturas elevadas.
La resistencia de los metales a la corrosión, la formación de cascarilla y la 
disolución se determina por el cambio del peso de las muestras ensayadas en 
unidad de superficie por unidad de tiempo.
Las propiedades químicas de los metales obligatoriamente se toman en 
consideración al fabricarse unos u otros artículos. Ellos se refieren de manera 
especial a los artículos y piezas que trabajan en medios químicamente agresivos.
2006.09.15
	DEPARTAMENTO DE MECANICA
	Apuntes 2	: Propiedades Mecánicas, Físicas y Químicas

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