Propiedades físicas y mecánicas de los materiales - Parte II EC 2011-2012

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Propiedades físicas y mecánicas 
de los materiales – Parte II 
 
Propiedades físicas y mecánicas de 
los materiales 
 2.5. Propiedades mecánicas de los materiales 
2.5.1 Tensión y Deformación 
2.5.2 Elasticidad 
2.5.3 Plasticidad 
2.5.4 Ductilidad 
2.5.5 Tenacidad y Resiliencia 
2.5.6 Dureza 
2.5.7 Fluencia 
2.5.8 Fatiga 
 
Definición 
Son propiedades del material relacionadas con su 
capacidad de transmitir y resistir fuerzas o 
deformaciones 
 
Importancia 
Elección del material adecuado para cada aplicación o 
proyecto 
Modelizar el comportamiento observado en la práctica 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
Determinación 
Las propiedades mecánicas generalmente se 
determinan mediante ensayos aplicados a 
probetas o piezas 
Clasificación de los ensayos: 
 
– Destructivos: provocan inutilización parcial o total de la 
pieza (tracción, dureza, fatiga, fluencia, torsión, flexión, 
impacto) 
– No destructivos: no comprometen la integridad de la pieza 
(rayos X, ultrasonido, líquidos penetrantes, microdureza) 
 
– Estáticos: carga aplicada lentamente (tracción, compresión, 
flexión, dureza) 
– Dinámicos: carga aplicada lentamente o de forma cíclica 
(fatiga e impacto) 
– Carga constante: carga aplicada durante un largo período 
(fluencia) 
En cuanto 
a la 
Integridad 
En cuanto 
a la 
velocidad 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.1 Tensión y Deformación 
En un sentido simplista, la tensión se puede pensar como 
Carga/Área. 
De manera similar, deformación es la variación de longitud 
del componente/longitud original. 
Una tensión puede ser directa, cortante, o torsional – 
producen su correspondiente deformación. 
La tensión no se puede medir directamente, pero el 
alargamiento que tiene sí. 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.1 Tensión y Deformación 
Se expresa la carga en Newtons (N) y la Área 
en mm2 para obtener la tensión en Mpa. 
Tensión: Fuerza por unidad de superficie del sólido 
: Tensión (MPa) 
F; Fuerza (N) 
S: Superficie (mm2) 
Unidades: S. I. Pascales (1Pa = 1N/m2). En la práctica: 
1 MPa= 1 N/mm2= 10 kp/cm2= 0.1 kp/mm2 
N
mm2
 MPa
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
Tipos 
(a) Tracción 
(b) Compresión 
(c) Cizalla 
(d) Torsión 
 
2.5.1 Tensión y Deformación 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
Load, P
P
Area 
 Ao
Lo
L/2
L/2
Tensión uniaxial - Tracción 
Load, P
P
Area 
 Ao
Lo
L/2
L/2
Tensión uniaxial- Compresión 
Tensión 
Deformación 
oA
P

oL
L

2.5.1 Tensión y Deformación 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.1 Tensión y Deformación 
Ensayo de tracción directa 
Se somete el material a una carga de tracción creciente que 
promueve una deformación progresiva y aumento de 
longitud 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
Pinza 
Specimen 
Extensómetro 
2.5.1 Tensión y Deformación 
• Ensayo de tracción directa 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.1 Tensión y Deformación 
• Ensayo de tracción directa 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
Región entre M y F: 
•MetalesOcurre el 
estrechamiento de la sección 
•CerámicaOcurre la 
propagación de fisuras 
•PolímerosOcurre la 
alineación las cadenas 
poliméricas que están a punto de 
romperse 
2.5.1 Tensión y Deformación 
• Ensayo de tracción directa 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
Elastic limit 
E 
Strain (=L/Lo) 
S
tr
es
s 
(
=
P
/A
o
) 
 
2.5.1 Tensión y Deformación 
• Ensayo de tracción directa 
 
Región entre M y F: 
•MetalesOcurre el estrechamiento de 
la sección 
•CerámicaOcurre la propagación de 
fisuras 
•PolímerosOcurre la alineación las 
cadenas poliméricas que están a punto 
de romperse 
2.5.1 Tensión y Deformación 
• Ensayo de tracción directa 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.1 Tensión y Deformación 
• Ensayo de compresión 
– Se somete el material a una carga de compresión 
creciente que promueve una deformación progresiva de 
contracción 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
El material vuelve a su configuración inicial 
una vez cesa la carga 
Deformación elástica es aquella totalmente 
recuperable una vez cesa su causa 
Está relacionado con la rigidez del material y 
con las fuerzas de las ligaciones 
interatómicas 
 
 
 
1. Inicial 2. Carga 3. Descarga 
F 
d 
F 
d 
Lineal- 
elastica 
No-Lineal- 
elastica 
2.5.2 Elasticidad 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
Módulo de elasticidad: 
Ratio entre la tensión aplicada y la deformación 
elástica resultante 
 
 
 
 
LA
LF
E


 0


A
F

0L
L

Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.2 Elasticidad 
 = E  
 
Elástico-
linear 
E 
 
F 
1 
• Módulo de elasticidad: 
– Elástico-lineal (mayoría de los materiales) 
• Ley de Hooke: Para materiales elásticos la tensión es 
linealmente proporcional a la deformación y 
independiente del tiempo. 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.2 Elasticidad 
0.0100.0080.0060.0040.0020.000
0
100
200
300
400
500
CONT INUED
S
tr
es
s 
(M
P
a)
 
Strain
MPa
MPa
E 52x10
)0.0015.0(
)0300(









• Módulo de elasticidad: 
– Elástico-lineal (mayoría de los materiales) 
• Ley de Hooke: Para materiales elásticos la tensión es 
linealmente proporcional a la deformación y 
independiente del tiempo. 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.2 Elasticidad 
• Módulo de elasticidad: 
– Elástico-lineal (mayoría de los materiales) 
– Elástico-no lineal (Hormigón y muchos 
polímeros) 
• Módulo tangente  Verificación de tensiones límites 
• Módulo secante  Verificación de deformaciones en 
servicio 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.2 Elasticidad 
• Módulo de elasticidad: 
– Factores que afectan el módulo de elasticidad 
• Temperatura 
• Porosidad 
• Humedad 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.2 Elasticidad 
Temperatura Módulo de elasticidad 
Porosidad Módulo de elasticidad 
• Coeficiente de Poisson: 
– La compresión o tracción de cualquier estructura 
cristalina en una única dirección también causa una 
deformación en la dirección perpendicular a la de 
aplicación de la carga 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.2 Elasticidad 
 
  
 x
 z
 
 y
 z
Valores de ν: 
Sin cambio de volumen = 0.5 
Polímero = 0.4 
Cerámico = 0.2 
Mayoría de Metales=0.25 < ν < 
0.35 en la región elástica 
 
 x
 
 z Deformación Longitudinal 
 
Deformación Lateral 
 
• Módulo de deformación cortante: 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.2 Elasticidad 
• Módulo de deformación cortante: 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.2 Elasticidad 
 Shear Stress,  Shear 
Strain,
 
S
h
ea
r 
S
tr
es
s 
Shear Strain 


tg
G 
H
dx
tg 
 

12
E
G
1. Inicial 2. Carga 3. Descarga 
p lanes 
still 
sheared 
F 
d elástica + plástica 
d plastic 
σ 
d 
d plástica d elástica 
• La deformación plástica 
produce cambios en la 
estructura interna del material 
que no se recupera una vez 
cesa la carga. (La deformación 
queda permanente) 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.3 Plasticidad 
Antes de la 
deformación 
Después de la 
deformación 
• La deformación plástica 
produce cambios en la 
estructura interna del material 
que no se recupera una vez 
cesa la carga. (La deformación 
queda permanente) 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.3 Plasticidad 
Mayoría Metales - Al, Cu Aleaciones Al Acero bajo carbono 
S
tr
es
s 
Strain 0.002 0.002 0.002 
Sy 
Sy 
Sy 
Elastic Plastic Elastic Plastic 
Elastic Plastic 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.3 Plasticidad 
T
en
si
ó
n
 
Deformación 
Plástica 
Elástica 
e p 
P 
Deformación Total 
(,) 
ep
e
pe
E






El límite elástico es la 
tensión 
que produce una 
deformación 
plástica (permanente) 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.3 Plasticidad 
Deformación 
Te
ns
ió
n 
Cargando 
Descargando 
Cargando 
Descargando 
Recarga 
elastic strain 
Deformación 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.3 Plasticidad 
Elongación 
 
 
 
Reducción Área 
EL% 
L f  Lo
Lo
 x 100
 
RA% 
Ao  A f
Ao
 x 100
Lo 
 
 
 
Ao 
Lf 
 
 
Af 
• Deformación plástica que ocurre hasta el fallo del 
material 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.4 Ductilidad 
• Ductil x Frágil 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.4 Ductilidad 
Dúctil si EL% > 5% (aproximadamente) 
Frágil si EL% < 5% (aproximadamente) 
E
ng
in
ee
rin
g 
S
tr
es
s 
Engineering Strain 
• Ductil x Frágil 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.4 Ductilidad 
Dúctil si EL% > 5% (aproximadamente) 
Frágil si EL% < 5% (aproximadamente) 
 
 %AL reducido 
(frágil si %AL<5%) 
 
%AL elevado 
(dúctil si %AL>5%) 
n
rr K  
Material n K (MPa) 
Acero con bajo contenido de C 0,26 530 
Acero 4340 recocido 0,15 640 
Acero inox 304 recocido 0,45 1275 
Alumínio recocido 0,2 180 
Liga de Alumínio 2024 T 0,16 690 
Cobre recocido 0,54 315 
Latón 70-30 recocido 0,49 895 
 
•K y n son constantes que dependen 
del material 
• Tensión Real (teniendo en cuenta la reducción de 
la sección transversal) 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.4 Ductilidad 
Resiliencia: Una medida de la capacidad de una material 
para absorber energía sin sufrir una deformación 
permanente o plástica. (J/m3 or N.mm/mm3= MPa) 
 
Tenacidad: Una medida de la capacidad de un material 
para absorber energía sin romperse. (J/m3 o 
N.mm/mm3= MPa) 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.5 Tenacidad y Resiliencia 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.5 Tenacidad y Resiliencia 
X
Resiliencia, Ur 
Engineering Strain,  = DL/Lo) 
E
n
g
in
ee
ri
n
g
 S
tr
es
s,
 
=
P
/A
o 
 
E
dU
y
yy
o
r
y
2
2
2






 
y 
E 
ey 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.5 Tenacidad y Resiliencia 
Tenacidad, Ut 
Engineering Strain, e = DL/Lo) 
E
ng
in
ee
rin
g 
S
tr
es
s,
 S
=
P
/A
o 
 







 
100
%
2
)( EL
dU
uy
o
t
f



y 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.5 Tenacidad y Resiliencia 
Clasificación de los 
materiales en función de la 
ductilidad 
 
 
Baja tenacidad (polímeros) 
 
 Baja tenacidad (cerámica) 
Elevada tenacidad (metales) 
• Definición: 
– Resistencia del material a la deformación plástica 
localizada 
• La dureza elevada está relacionada con: 
– Resistencia a la deformación plástica y fallo por 
fisuración 
– Mayor resistencia al desgaste 
– Mayor resistencia a tracción (Estimación por ensayo 
no destructivo) 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.6 Dureza 
• Ensayos para medir dureza 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.6 Dureza 
Penetrador 
d D 
Medida de la huella 
Dureza 
d 
• Ensayos para medir dureza 
– Rockwell: Se determina un nº de dureza a partir de la 
diferencia de profundidad de penetración. Los penetradores 
son bolas esféricas de acero endurecido. 
– Brinell: se fuerza un penetrador duro esférico en la 
superficie del metal a ensayar 
– Vickers: se fuerza un penetrador en forma de pirámide de 
diamante. La marca resultante se observa al microscopio 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.6 Dureza 
Brinell Rockwell Vickers 
• Ensayos para medir dureza 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.6 Dureza 
• Relación entre dureza y resistencia a tracción 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.6 Dureza 
• Deformación lenta y progresiva (creciente) con el paso 
del tiempo en materiales sometidos a una tensión 
constante 
• Se determina a tracción, compresión, cizalla y flexión. 
• Los tiempos de ensayo son muy largos. 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.7 Fluencia 
• Deformación lenta y progresiva (creciente) con el paso 
del tiempo en materiales sometidos a una tensión 
constante 
• Se determina a tracción, compresión, cizalla y flexión. 
• Los tiempos de ensayo son muy largos. 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.7 Fluencia 
Fluencia 
Deformación 
instantánea 
Deformación 
Tiempo 
A 
V0 
E 
D 
C 
B 
Fluencia 
primaria 
Fluencia 
secundaria 
Fluencia 
terciaria 
RT
E
n eA
t
V




 

0
n
r at 
• Ensayos para determinar la fluencia 
– Método: Medir deformaciones con el tiempo en probetas 
en condición de tensión y temperatura constante 
– Resultados: Curva tensión-tiempo 
– Principales parámetros: V0 y tr 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.7 Fluencia 
Deformación 
T1 = 10ºC 
Tiempo 
T2 = 20ºC 
T3 = 30º C 
T4 = 40ºC 
Temperatura 
Deformación 
V0 
tr 
• Factores que afectan la fluencia 
– Temperatura 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.7 Fluencia 
• Factores que afectan la fluencia 
– Temperatura 
– Tensión 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.7 Fluencia 
Deformación 
σ1 = 10 MPa 
Tiempo 
σ2 = 20 MPa 
σ3 = 30 MPa 
σ4 = 40 MPa 
Tensión 
Deformación 
V0 
tr 
• Fallo debido a la variación cíclica de tensiones 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.8 Fatiga 
Cuidado! 
Aparición de 
1ª fisura 
Propagación Fallo 
• Fallo debido a la variación cíclica de tensiones 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.8 Fatiga 
Tensión 
Tiempo 
σ
m
a
x
 
σ
m
a
x
 
σ
m
in
 
σ
m
in
 
Δ
σ
 
Período 
σ
m
e
d
ia
 
• Proceso de fractura 
– Deformación plástica 
– Nacimiento de la fisura (5-10% del tiempo total) 
– Desarrollo de la fisura y expansión 
– Fractura rápida 
– Las fisuras crecen perpendicularmente a la tensión. Solamente 
crecen los más agudos. 
 
• Fractura típica a fatiga 
– Comienza por la superficie. 
– tracción fatiga< tracción estático 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.8 Fatiga 
• La rotura se produce en dos formas: 
– Fatiga por ciclos cortos: La tensión máxima en cualquier 
ciclo es mayor a la tensión de plastificación y menor a la 
resistencia a tracción estática y el número de ciclos de 
carga es menor que 1000. 
– Fatiga por ciclos largos: la tensión máxima es inferior a la 
tensión de plastificación. Se necesitan 105- 106 ciclos de 
carga. 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.8 Fatiga 
Metales ferrosos y 
aleaciones 
Resistencia 
límite 
Límite de 
fatiga 
Amplitud de 
tensión (Δσ) 
Número de ciclos 
de carga (log N) 
1 10 100 
Mayoría de los 
materiales 
Vida útil 
límite 
Nk a  
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.8 Fatiga 
Metales ferrosos y 
aleaciones Límite de 
fatiga 
Amplitud 
de tensión 
Número de ciclos 
de carga (log N) 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.8 Fatiga 
Resistencia 
para vida 
útil límite 
Resistencia 
límite 
Amplitud 
de tensión 
Número de ciclos 
de carga (log N) 
Mayoría de los 
materiales 
Vida útil 
límite 
Vida útil para 
resistencia 
límite 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.8 Fatiga 
• Factores que afectan la fatiga: 
– Temperatura 
– Amplitud de tensiones 
– Período de los ciclos (Frecuencia) 
– Efectos de superficie 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.8 Fatiga 
Con 
esquinas 
Redondeados 
• Mejora la resistencia a fatiga 
– Mejora del diseño: Reducir los cambios de sección 
bruscos, redondear los contornos 
– Mejora de los métodos de elaboración 
– Aumento de la resistencia a tracción: mejor aleación 
– Endurecimiento superficial 
– Inducción de compresiónen la superficie 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas 
 
2.5.8 Fatiga 
Con 
esquinas 
Redondeados 
Elasticidad – Módulo de elasticidad o Módulo de Young 
(MPa) 
Resistencia – Plástica, Última, Fractura. Medido como 
tensión (MPa) 
Ductilidad – Medida de la habilidad de deformar 
plásticamente sin fractura - Alargamiento, reducción de 
área, Deformación de fractura - (no unidades o mm/mm) 
Tenacidad, Resiliencia – Medición de la habilidad para 
absorber energía (J/m3). 
Dureza - Resistencia a la deformación plástica localizada 
(Varias escalas, p.e.; Rockwell, Brinell, Vickers.) 
Fluencia- Lenta y progresiva deformación de un material 
con el tiempo 
Fatiga – Rotura debido a cargas cíclicas 
 
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas