07PropiedadesMecanicas- - Tanis Rincon Medina

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Ingeniería de Materiales 				63
Propiedades mecánicas
Introducción
σ
Se Toma un perfil o una barra de algún material (Fig. 1)
Se aplican fuerzas en 3D
Se extrae una parte y se analiza. Se tienen fuerzas en x, y, z
Se dividen las fuerzas sobre la superficie y se tienen las tensiones ()
Las tensiones pueden ser de tracción o compresión
Cuando se aplican tensiones, el material puede deformarse o romperse
Se deforma en el campo plástico (la plasticidad aumenta con 
la temperatura)
Se rompe si hay alta deformación en la zona elástica
La cohesión atómica tiene relación con la energía de enlace
La rotura sin deformación es sinónimo de fragilidad
La deformación implica que el material desarrolla plasticidad
En el campo elástico los materiales se utilizan como componentes de 
estructuras o máquinas
En el campo plástico se fabrican los productos, en general con asistencia de 
energía térmica y y mecánica. Se utiliza el mecanismo de deslizamiento Fig. 1 – Estado de tensiones 
de planos atómicos.
Cuando se aplican fuerzas externas a un material (cerámico, polímero, aleación, etc.), se produce una deformación. Se denomina deformación a la variación dimensional por unidad de longitud y tensión a la fuerza por unidad de área. Debido a la deformación, el material absorbe energía. Por otra parte la resistencia es una medida del nivel de tensión necesario para producir la rotura del material. En estas condiciones, la ductilidad identifica el valor de la deformación a la rotura y la tenacidad se refiere a la cantidad de energía absorbida por un dado material durante la rotura. 
Las condiciones de diseño habituales para las propiedades mecánicas, prescriben alta resistencia, pero también alta ductilidad para evitar rotura frágil, no tenaz. Estos requisitos tienden a ser incompatibles por lo que es necesario adoptar soluciones de compromiso entre dichos requisitos para lograr una combinación óptima. 
Otra forma de definir la resistencia y la ductilidad. Por ejemplo: Tiene que romperse una barra de acero cuando se dobla o debe fracturarse para romperse? Respuesta: Depende de los requerimientos de diseño que debe discernir entre dos resistencias. Una denominada tensión de fluencia y otra carga máxima que el material debe soportar. Para analizar el problema se utilizan diagramas tensión-deformación (Fig. 2)
Fig. 2 – Curvas características tensión-deformación
En Tabla 1, se presenta la simbología y unidades de las propiedades mecánicas.
Tabla 1 – Simbología y unidades de las propiedades mecánicas
	Propiedades o
característica
	Símbolo
	Definición
(comentarios)
	Unidades
	
	
	
	SI
	Inglés
	Tensión
	
	Fuerza/unidad de área (F/A)
	pascal
N/m2
	psi
lb/in2
	Deformación
	 (3 dimensiones)
 (longitudinal)
	V/V
l/l
	-
	-
	Módulo elástico
	E
	/ (elástica)
	pascal
	psi
	Resistencia
	Rm
	Resistencia
máxima
	pascal
	psi
	Tensión de fluencia
	Rp0.2
	Límite de fluencia
	pascal
	pascal
	Ductilidad
(alargamiento)
	
	l/l
	-
	-
	Ductilidad
(Reducción de área)
	S
	
	-
	-
	Área
	Ao
Af
	Área inicial
Área final
	-
	-
	Tenacidad
	RI
	Resistencia al impacto. Energía de rotura por fractura
	joules
	ft-lb
	Dureza
	HB; HRc; HV
	Resistencia a la penetración plástica
	Unidades empíricas
	
Ley de Hooke (Módulo de elasticidad – Tensión – Deformación) 
Inicialmente la deformación es proporcional a la tensión y además reversible. Después de anular la tensión, la deformación desaparece. Esta deformación se denomina elástica. En esta situación, el módulo de elasticidad está dado por la siguiente relación entre la tensión y la deformación : 
E = / (Ley de Hooke)
Las unidades del módulo de elasticidad son pascales (Pa). 
Considerando las características del material relacionadas con el tipo de uniones atómicas y moleculares presentes, el módulo de elasticidad es una medida de las fuerzas de unión interatómicas. La importancia del módulo de elasticidad se pone de manifiesto cuando existen requerimientos de rigidez en el diseño. 
Para altas deformaciones pude producirse un desplazamiento permanente entre los átomos del material de manera que cuando se anulan dichas tensiones queda una deformación que no es reversible, denominada deformación plástica. Este tipo de deformación es necesario durante la elaboración de ciertos materiales   
La ductilidad, que es la deformación plástica total antes de la rotura, se puede expresar como el alargamiento. Como toda deformación el alargamiento es adimensional y esta dado por la siguiente ecuación: 
 = (Lf – Lo)/Lo = L/Lo
 Dado que la deformación se localiza en la zona deformada, la elongación depende de la longitud de la probeta. En consecuencia, siempre que se consigne algún dato del alargamiento, se debe especificar la longitud calibrada (marcada) de la probeta. 
 Una medida importante de la ductilidad es la reducción de área, que está dada por la siguiente ecuación: 
R.A. = (Ao – Af)/Ao
 Los materiales dúctiles presentan una alta reducción de área en la sección transversal antes de romperse. Existen situaciones en las cuales se debe especificar la reducción de área como medida de la ductilidad porque no se dispone de la longitud de la probeta. No es posible establecer una correlación precisa entra el alargamiento y la reducción de área, debido a que la deformación plástica puede ser muy localizada. Por lo tanto el alargamiento es una medida de la deformación longitudinal mientras que la reducción de área es una medida de la contracción plástica. Desde luego, un material frágil tiene valores de alargamiento y reducción de área cercanos a cero.
Estado de tensiones y deformaciones de una placa metálica sometida a laminado (Fig. 3)
Fig. 3 – Estado de tensiones en laminación
Resistencia mecánica   
La capacidad de un material para resistir deformación plástica se denomina resistencia a la fluencia o tensión de fluencia (R.F.) y se calcula dividiendo la fuerza que inicia la fluencia del material con el área transversal. En cierto tipos de materiales (por ejemplo en aceros de bajo carbono, Fig. 4), la resistencia a la fluencia está indicada por un punto definido que es límite proporcional
I – Zona elástica
II – Período plástico. 
1 – Zona el elástica 
2 – zona de deformación pseudoelástica. 
3 – Zona de fluencia. 
4 – Zona de deformación homogénea 
5 – Zona de estricción 
Fig. 4 - Curva de ensayo de tracción estática acero bajo carbono
Cuando el límite proporcional no se encuentra claramente establecido, se define la resistencia a la fluencia como la tensión necesaria para producir una deformación de 0.2 % o algún valor aceptable. 
La resistencia a la tracción (RT), se calcula dividiendo la carga máxima con la sección transversal inicial. Las unidades de esta tensión son Pascales (Pa) o MPa. Esta propiedad también se conoce como la tensión nominal. Cuando se divide la carga máxima sobre el área real se tiene la tensión verdadera. Para los casos de diseño, es mas importante la tensión nominal, dado que se tiene en cuenta las dimensiones iniciales del material. 
Resistencia al impacto 
La tenacidad es una medida de la energía necesaria para producir la rotura de un material mediante impacto. Es opuesta a la resistencia que es una medida de la tensión para deformar una material (Fig. 5 y 6). La energía que es el producto de la fuerza por la distancia se expresa en joules (J) y está relacionada con el área bajo la curva tensión-deformación. 
Fig. 5 – Ensayo de impacto en aceros
 Fig. 6 - Esquema de ensayo de impacto Ensayo de impacto de distintos materiales
Dureza 
La dureza está definida como la resistencia de un material a la penetración de su superficie (Fig. 7). Por lo tanto la dureza y la resistencia mecánica de un material están íntimamente relacionadas.
Fig. 7 - Ensayo de dureza
Resistencia a la fatiga 
Bajo cargas alternadas, el material puede resistir un cierto número de ciclos hasta la rotura. Este fenómeno se denomina fatiga (Fig. 8 y 9).
 Fig.8 – Ensayo de fatiga Curva de Resistencia a la fatiga de acero y aluminio
Un factor físico que afecta a la resistencia a la fatiga es la calidad superficial (rugosidad, defectos superficiales, etc.). 
Resistencia al creep
El creep es un proceso térmicamente activado. Tienen importancia los defectos puntuales tales como las vacancias. Se define creep como fluencia del material por solicitaciones mecánicas en servicio, en presencia de un campo de energía térmico. En la Fig. 9 se observan curvas de comportamiento de aceros sometidos a creep.
Fig. 9 – Curvas de creep en aceros
Fractura
Fractura es la separación de un componente en dos o más partes. Puede tener características frágiles o dúctiles.
La fractura frágil se produce debido a una propagación rápida de una fisura después de poca o ninguna deformación plástica (en frío a velocidad del sonido en materiales sólidos).
En materiales cristalinos se propaga a través de planos de clivaje. También puede propagarse por borde de grano por lo que se denomina intergranular. En ambos casos la fractura se produce en una dirección perpendicular a la componente máxima de la tensión. 
La fractura dúctil se produce después de una deformación plástica extensa y se caracteriza por una propagación lenta de la fisura debido al proceso de formación y coalescencia de microcavidades. La superficie de este tipo de fractura es opaca y fibrosa 
Tenacidad a la fractura
Se trata de un nuevo concepto de ductilidad o fragilidad de un componente que debe soportar solicitaciones mecánicas. La tenacidad a la fractura se determina mediante el siguiente ensayo (Fig. 10):
Se prepara una probeta prismática, con entalla V.
Se genera una fisura de longitud a.
Se somete a solicitaciones de tracción-compresión alternada, con un cierto nivel de tensiones mecánicas, hasta que se produce la rotura.
Se observa el campo de deformaciones que se forma en el extremo de la fisura.
Si el campo de deformación es nulo, el material es frágil.
A medida que aumenta el tamaño del campo de deformación, el material aumenta su ductilidad. 
 
Fig. 10 - Probeta prefisurada Probeta sometida a tensiones alternadas Fractura
Las dimensiones del campo de deformación plástica constituyen una barrera a la propagación de la fisura. Cuando se produce una fisura de un componente en servicio (por ej. recipiente sometido a presión y temperatura), una forma de evitar la propagación de la falla es generar una barrera. Para el caso se prepara un agujero cilíndrico con una mecha de un determinado diámetro en el extremo de la fisura. Luego se rellena con material de aporte dúctil.
Vibración-amortiguación-microestructura
Propagación de ondas acústicas en medios elásticos (Fig. 11). La microestructura de grano fino y homogéneo (Acero laminado o forjado), constituye un medio ideal para la propagación de este tipo de energía.
 
Fig. 11 - Propagación de ondas acústicas. Acero laminado.
La presencia de grafito, hace de barrera a la propagación de ondas acústicas dando lugar a la amortiguación (Fig. 12).
Fig. 12 - Amortiguamiento de ondas acústicas. Fundición gris con láminas de grafito.
Maquinabilidad
V
H
Fig. 13 – Mecanizado (H: herramienta de corte. V: Velocidad de rotación de la pieza)
La maquinabilidad es una propiedad de los materiales que permite comparar la facilidad con que pueden ser mecanizados por arranque de viruta (fragmento de material residual con forma de lámina curvada o espiral. Es un residuo que se utiliza para reciclado). Los materiales con alta maquinabilidad requieren potencias y fuerzas de corte reducidas, con un desgaste lento del filo de las herramientas de corte. Además pueden mecanizarse obteniendo superficies menos rugosas y en general con un mejor terminado. Otro factor que indica la maquinabilidad de un material es la posibilidad de poder controlar longitud de la viruta resultante. Las virutas largas y delgadas mantienen contacto continuo con el flanco de la herramienta. Producen recalentamiento y pérdida de dureza que es sinónimo de desgaste.
Algunos factores que suelen mejorar la resistencia de los materiales a menudo degradan su maquinabilidad. Por lo tanto, para una mecanización económica, los ingenieros se enfrentan al reto de mejorar la maquinabilidad sin perjudicar la resistencia del material.
Es difícil establecer relaciones que definan cuantitativamente la maquinabilidad de un material, dado que las operaciones de mecanizado tienen una naturaleza compleja. En algunos casos, la dureza y la resistencia del material se consideran como los principales factores a evaluar. Los materiales duros son generalmente más difíciles de mecanizar pues requieren una fuerza mayor para cortarlos. Sobre estos factores influyen propiedades del material como su composición química, conductividad térmica y su estructura microscópica. A veces, sobre todo para los no metales, estos factores auxiliares son más importantes. Por ejemplo, los materiales blandos como los plásticos pueden ser difíciles de mecanizar a causa de su mala conductividad térmica.
Hay muchos factores que afectan a la maquinabilidad, pero no hay un consenso en la forma de cuantificarla. Eso explica porque la maquinabilidad se evalúa caso por caso y los ensayos se adaptan a las necesidades específicas de una fábrica. Las medidas más comunes para efectuar una comparación de maquinabilidad son la vida de la herramienta, el acabado superficial, la temperatura de corte, el consumo de energía y la producción de viruta.
Existen tablas y gráficos que proporcionan una referencia para comparar la maquinabilidad de materiales diferentes, pero son imprecisas debido a la multitud de variables de proceso y otros factores externos que pueden tener una influencia significativa. Estas tablas suelen medir la maquinabilidad en términos de velocidad de corte para una determinada vida útil de la herramienta. Por ejemplo, la maquinabilidad relativa podría darse como:
 
Donde VC60 es la velocidad de corte para una vida útil de la herramienta de 60 minutos. Siendo 1 la práctica y 2 la teórica. Las pruebas de maquinabilidad más conocidas fueron las llevadas a cabo por Frederick W. Taylor y dieron lugar a lo que se conoce como ecuación de Taylor que relaciona la velocidad de corte con la vida de la herramienta VTn = C. V: Velocidad de corte. T: Temperatura, n: Constante que depende del material de la herramienta y la pieza.
Habitualmente se toma como referencia el acero AISI 1112 al que se le da la calificación de 100 de maquinabilidad.
Maquinabilidad de aceros 
Una mejora de la maquinabilidad de los aceros de construcción mecánica, se logra por agregado de fósforo o azufre. Se forman inclusiones no metálicas que dan discontinuidades. De esta manera se puede obtener viruta fragmentada durante el mecanizado. Esto, si bien mejora la maquinabilidad para los casos de producción automatizada, genera deterioro principalmente en la resistencia al impacto. Otra forma de mejorar la maquinabilidad de estos aceros consiste en el agregado de plomo. El plomo es inmiscible en el acero y se ubica en pequeñas partículas en borde de grano. Esto posibilita la obtención de virutas discontinuas y alarga la vida útil de las herramientas.
Fig. 14 – Temperaturas en la zona de contacto durante el mecanizado.
Maquinabilidad de aleaciones de cobre
Dentro del grupo de aleaciones de cobre de fácil maquinabilidad se incluyen las aleaciones con elementos que, por ser prácticamente insolubles en el cobre, facilitan la rotura de la viruta. Entre estas aleaciones se encuentran:
 Aleación Cobre-Teluro: Se obtienen por adición de 0,3 a 0,7% de Te a cobres tenaces o OFHC (libre de oxígeno, de alta conductividad). El teluro es casi insoluble en el cobre a temperatura ordinaria y forma teluros que precipitan en los bordes de grano, facilitando la rotura de la viruta, proporcionando una maquinabilidad comparable a la de los latones con plomo. La adiciónde teluro aumenta la temperatura de recristalización, es decir, retiene la acritud durante el calentamiento, como la plata, pero de forma más intensa. Su conductividad eléctrica es de 94 a 98% IACS, y las mecánicas son similares a las del cobre sin alear. Se emplea en piezas mecanizadas de formas complicadas o de precisión que al mismo tiempo deben tener una alta conductividad eléctrica o térmica. Se pueden soldar con soldadura fuerte o blanda pero no al arco, debido a la volatilización del teluro durante la soldadura.
Aleación Cobre-Azufre: Una adición de 0,3 a 0,5% de azufre confiere al cobre las mismas propiedades que el teluro, siendo la transformación de la aleación más sencilla y barata que con teluro.
Aleación Cobre-Plomo: Un contenido de plomo de 0,5 a 1 % confiere al cobre una maquinabilidad elevada aunque un poco inferior a la de los Cu-Te y Cu-S. Esta aleación se emplea sobre todo en 
Maquinabilidad en fundiciones
Fundición nodular: Tiene una importante dureza, mejorada por una gran maquinabilidad, por lo cual todas aquellas piezas fundidas tiene que ser realizadas mediante este proceso ya que el terminado puede ser dado con procesos de arranque de viruta.
Maquinabilidad en aleaciones de aluminio
La mayor parte de las aleaciones están basadas en sistemas de aluminio-cobre o aluminio-silicio, con adiciones para mejorar las características de fundición o de servicio. Entre las aleaciones aluminio-cobre, la que contiene 8% de cobre ha sido usada por mucho tiempo como la aleación para fines generales, aunque las adiciones de silicio y hierro, mejoran las características de la fundición por que la hacen menos quebradiza en caliente; la adición de zinc, mejora su maquinabilidad.
Las aleaciones de aluminio-magnesio son superiores a casi todas las otras aleaciones de fundición de aluminio en cuanto a resistencia, corrosión y maquinabilidad; además de excelentes condiciones de resistencia mecánica y ductilidad.
El aluminio puro y las aleaciones de aluminio-manganeso son duros para maquinar, a no ser que se empleen herramientas especiales con mayor ángulo de salida que el acostumbrado para el acero. Las herramientas duras de carburo cementado son esenciales para el aluminio-silicio. Las aleaciones que contienen cobre y las forjadas tratadas térmicamente tienen buena maquinabilidad.
Estudio de desgaste en mecanismos (tribología)
A
.
BC
.
23132456
TensiónDeformación
Esquema del ensayo de impacto
InoxidablesausteníticosEnsayo de impacto vs. Teperatura de ensayo
rodamientoprobetaCorrea de transmisiónrodamiento
Curva de fluencia de ensayos de largo tiempo y alta temperatura
Deformación Tensión
xR
m
R
m
R
p0.2
xxxxxxVerdadero Nominal R
m
R
p0.2
R
m
R
p0.2
=0.2 %=0.2 %
CerámicoAcero Plástico
Figura 2tracción (x)tracción (y)compresión (z)laminadormaterial