Descarga la aplicación para disfrutar aún más
Vista previa del material en texto
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
Compartir