• Author / Uploaded
• Arnold Frank López Mejia

Citation preview

PROPIEDADES MECÁNICAS

Propósito de la sesión de clases: Conocer las principales Propiedades Mecánicas a partir de la realización de Ensayos destructivos, en particular el de tracción, que influyen finalmente en la calidad de los materiales de ingeniería.

Ing. Enrique De La Cruz

1

PROPIEDADES MECÁNICAS Introducción: El conocimiento de las diferentes propiedades que los materiales de ingeniería nos ofrece exige que a éstos se les someta a una serie de pruebas o Ensayos normalizados según estándares nacionales o internacionales. Los ensayos se clasifican según la deformación o destrucción física que se le pueda hacer al material, tenemos: Ensayos destructivos: Tracción Torsión Impacto Cizalladura Fatiga, etc.

Ensayos no destructivos Tintes penetrantes Partículas magnéticas Ultrasonido Rayos X

2 Ing. Enrique De La Cruz

PROPIEDADES MECÁNICAS Se estudiarán algunos Ensayos Destructivos cuya finalidad es darnos a conocer las principales Propiedades Mecánicas de ingeniería. ¿Qué son las Propiedades Mecánicas y cuál es su importancia?  

Son aquellas que están relacionadas con el comportamiento del material cuando se les somete a esfuerzos. Nos permiten medir la resistencia del material a determinados esfuerzos, aspectos que influyen y muchas veces condicionan sobre la calidad de los mismos.

Tipos de esfuerzos

3 Ing. Enrique De La Cruz

ENSAYOS MECÁNICOS Agrupa aquel conjunto de procedimientos normalizados cuyo objetivo es determinar propiedades y/o características de los materiales, o también determinar el estado servible de un material que ya trabajo.

Ensayo de flexión

Ensayo de dureza

Ensayo de tracción

Ing. Enrique De La Cruz

Ensayo de impacto

Ensayo de fatiga

4

ENSAYOS MECÁNICOS ENSAYO DE TRACCIÓN

Maquina de Ensayo

Probeta para Ensayo Probetas al final del ensayo de tracción hechas de: Al, Cu, Bronce, Acero corrugado y Hierro gris, respectivamente.

ENSAYOS MECÁNICOS ENSAYO DE COMPRESIÓN Probetas antes y después del ensayo Al

Cu

Bronce

ENSAYO DE TRACCIÓN ≠ Composiciones químicas de los materiales… Propiedades diferentes Cada material se comportará de distinta manera ante la acción de una fuerza.

Es el ensayo destructivo más importante que brinda al ingeniero un criterio para la selección del material para determinada aplicación.

Ensayo de Tracción  Se coloca una probeta sujetada por dos mordazas, una fija y otra móvil.  Se mide la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil.  La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad seleccionable.  La celda de carga, conectada a la mordaza fija, entrega una señal que representa la carga aplicada. 7

ENSAYO DE TRACCIÓN Con el objeto que en cada ensayo se obtengan resultados comparables, las dimensiones de las probetas han sido normalizadas. PROBETA:  Dimensiones y forma según la norma que se utilice.  NTP  ASTM – DIN – ASME – JIS – UNE – AISI – AFNOR – UNI – GOST, etc. Importante: Se debe garantizar que la rotura de la probeta esté siempre dentro de las marcas señaladas.

So Lo

¿La probeta puede ser de cualquier material? De los diferentes materiales de ingeniería, no se usa para aquellos que son cerámicos, para ellos se utiliza el ensayo de compresión. 8

Ing. Enrique De La Cruz

DIAGRAMA: FUERZA - ALARGAMIENTO El ensayo de Tracción nos permite determinar la curva esfuerzo – deformación de cada material donde podremos determinar sus características elásticas, plásticas y de tensión que pueda soportar el material.

A partir de (3), si se sigue aplicando más esfuerzo, la probeta se va 9 alargando y su sección transversal(área) se va reduciendo.

DIAGRAMA: TENSIÓN – DEFORMACIÓN UNITARIA

AO

F : Carga aplicada (N) Ao: Área de la sección transversal de la probeta sin deformación (m2) σ : Esfuerzo o tensión ingenieril (Pa = N/m2) ∆L : Alargamiento o elongación (mm) Lo: Longitud inicial de la probeta sin deformación (mm)

10 Ing. Enrique De La Cruz

DIAGRAMA: TENSIÓN – DEFORMACIÓN UNITARIA

En 1, el material se comporta como un resorte, es decir, recupera su forma inicial cuando se elimina la carga aplicada. En 2, los alargamientos que se producen son permanentes, es decir, el material ya no se comporta como un resorte. Cuando se elimina la carga aplicada, el material mantiene una deformación permanente. Ing. Enrique De La Cruz

11

DIAGRAMA: TENSIÓN – DEFORMACIÓN UNITARIA X´ Resistencia a la tracción Esfuerzo de fluencia

X

Límite de proporcionalidad

Región lineal

Plasticidad perfecta o fluencia

Endurecimiento por deformación

Estricción Estricción

En la región descrita por la línea OA, el esfuerzo,σ, y la deformación,ε, son directamente proporcionales, se dice entonces que el comportamiento del material es lineal. Después del punto A ya no existe esta relación lineal por lo que el esfuerzo en el punto A se denomina límite de proporcionalidad.

Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.

12

DIAGRAMA: TENSIÓN – DEFORMACIÓN UNITARIA X´ Resistencia a la tracción Esfuerzo de fluencia

X

Límite de proporcionalidad

Región lineal

Plasticidad perfecta o fluencia

Endurecimiento por deformación

Estricción Estricción

La relación lineal entre el σ y la ε puede expresarse mediante la ecuación (Ley de Hooke) σ = E ε, donde E es una constante de proporcionalidad conocida como el módulo de elasticidad del material. El módulo de elasticidad, E, es la pendiente del diagrama σ vs ε en la región linealmente elástica, y su valor depende del material particular que se utilice.

Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.

Ing. Enrique De La Cruz

13

DIAGRAMA: TENSIÓN – DEFORMACIÓN UNITARIA σ

σmáx. Esfuerzo de fluencia

ε Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, desde aquí el material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedaría más larga que al principio. La Ley de Hooke no se cumple con exactitud y se define que ha comenzado la zona plástica del ensayo de tracción. El valor límite entre la zona elástica y la zona plástica es el punto de fluencia (yield point)

Ing. Enrique De La Cruz

DIAGRAMA: TENSIÓN – DEFORMACIÓN UNITARIA X´ Esfuerzo Resistencia Tensión de último rotura a la tracción Esfuerzo de fluencia

X

Límite de proporcionalidad

Región lineal

Plasticidad perfecta o fluencia

Endurecimiento por deformación

Estricción Estricción

Después de sufrir las deformaciones en BC, el material muestra un endurecimiento por deformación. En este proceso sufre cambios en sus estructuras cristalinas posibilitando un incremento en la resistencia del material. Un alargamiento requiere de un incremento en la carga de tensión, y el diagrama σ vs ε toma una Mecánico pendientede positiva desde C hasta D. Unidad 5 Comportamiento los Materiales. Ing. Enrique De La Cruz

15

DIAGRAMA: TENSIÓN – DEFORMACIÓN UNITARIA X´ Resistencia Esfuerzo aúltimo la tracción Esfuerzo de fluencia

X

Límite de proporcionalidad

Región lineal

Plasticidad perfecta o fluencia

Endurecimiento por deformación

Estricción Estri

La carga alcanza su valor máximo y el esfuerzo correspondiente (en el punto D) se denomina resistencia a la tracción. De hecho, el alargamiento posterior de la barra se acompaña de una reducción en la carga y finalmente se presenta la fractura en un punto X. Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales. Ing. Enrique De La Cruz 16

PROPIEDADES MECÁNICAS: σE(σy) vs Ԑ 1.

EN LA ZONA ELÁSTICA Implica un rango de tensiones para el que se cumple una correlación cuasilineal entre σ y ε Límite elástico (σE) Valor máximo de tensión que puede soportar un material, manteniendo su comportamiento elástico.

σE

Módulo de elasticidad o de Young (E) Relación existente entre la tensión aplicada y la deformación unitaria producida. Gráficamente, E, es la pendiente de la línea elástica. Dicha linealidad es una corroboración gráfica de la ley de Hooke, donde, E, sería la constante de proporcionalidad.

E E= =tgtgα α Ley de Hooke

σ = E.ε

17

PROPIEDADES MECÁNICAS: σE(σy) vs Ԑ 1.

EN LA ZONA ELÁSTICA Implica un rango de tensiones para el que se cumple una correlación cuasilineal entre σ y ε Límite elástico (σE) Para los materiales: fundición, hormigón y vidrio, por ejemplo, en los diagramas σ y ε no se presentan una zona de fluencia definida, por lo que en estos materiales se toma convencionalmente como esfuerzo de fluencia el esfuerzo al que corresponde una deformación permanente igual al 0,2%.

σp0,2

18

IMPORTANCIA DEL σy y “E” El límite elástico: σy  Expresa la resistencia que tiene el metal a la deformación plástica permanente.  Indica la facilidad con la que el material puede ser conformado mediante operaciones de laminado y estirado.  Es por lo general mayor en los cerámicos que en los metales.  Su módulo, por lo general, está por debajo del valor de la resistencia a la tracción del material.

El Módulo de Young: E  Representa la rigidez del material o la resistencia a su deformación elástica.  Se relaciona inversamente con la cantidad de deformación que experimenta el material por debajo de su límite elástico.  Depende del tipo de enlace que experimentan cada uno de sus unidades estructurales (átomos, iones o moléculas) del material así como de la temperatura.

PROPIEDADES MECÁNICAS: DIAGRAMA TENSIÓN – DEFORMACIÓN UNITARIA σM , ductilidad y tenacidad 2. ZONA PLÁSTICA

Esta zona corresponde a la región delimitada por tensiones superiores al límite elástico (σE), no existiendo proporcionalidad entre las tensiones aplicadas y las deformaciones producidas.

La tensión sigue aumentando hasta alcanzar un valor máximo, denominado resistencia última a la tracción o, simplemente, resistencia a la tracción, σM

σM σE

Ing. Enrique De La Cruz 20

PROPIEDADES MECÁNICAS: σM , ductilidad y tenacidad 2. ZONA PLÁSTICA

Esta zona corresponde a la región delimitada por tensiones superiores al límite elástico (σE), no existiendo proporcionalidad entre las tensiones aplicadas y las deformaciones producidas. Entre la zona comprendida entre σp0,2 y σM, la resistencia aumenta a σ M medida que aumenta la deformación, σ fenómeno que se conoce como p0.2 endurecimiento por deformación, que se manifiesta en el conformado del material mediante la acritud (deformación en frio).

Endurecimiento por deformación

Ing. Enrique De La Cruz 21

PROPIEDADES MECÁNICAS: σM , ductilidad y tenacidad 2. ZONA PLÁSTICA Alargamiento a la rotura (A) Deformación relativa del material hasta la rotura. Área bajo la curva de tracción Energía absorbida durante el ensayo de tracción. Es un indicativo de la tenacidad del material. Estricción (Z) Medida de la reducción de sección de material. %Z =

Ing. Enrique De La Cruz

AO - Af AO

x 100

22

PROPIEDADES MECÁNICAS: σM , ductilidad y tenacidad 2. ZONA PLÁSTICA ¿Por qué finalmente se rompe el material? Se debe a que a partir del punto e

e f

el debilitamiento producido por la estricción

(contracción lateral)

supera al aumento de resistencia de la acritud.

Ing. Enrique De La Cruz

23

DIAGRAMA: TENSIÓN – DEFORMACIÓN UNITARIA Resumiendo… ¿Qué propiedades mecánicas clave se obtienen del Ensayo de Tracción? 1.- Módulo elástico, E.

3

2.- Límite elástico, σE = σp 0,2

2

σf

3.- Resistencia a la tracción, σR 4.- Ductilidad, 100 x εfractura Tener presente que hay una recuperación elástica antes de la fractura.

5.- Tenacidad = ∫σ dε que gráficamente representa la gráfica bajo la O σf

5

1

4 εfractur a

24 Ing. Enrique De La Cruz

DIAGRAMA: TENSIÓN – DEFORMACIÓN UNITARIA En general se pueden presentar las siguientes gráficas para los diversos materiales de ingeniería. Caso 1- aleación de elevada resistencia pero frágil, Caso 2- aleación deformable con una baja resistencia. ¿Qué es lo que se desearía? Caso 3- aleación de elevada resistencia y una ductilidad importante.

1

Baja tenacidad

3

2

Alta tenacidad

Baja tenacidad

Conclusión: La tenacidad de una aleación depende principalmente de la combinación entre la resistencia y el grado de ductilidad.

DIAGRAMA: TENSIÓN y DEFORMACIÓN REAL ¿Después de la tensión σM realmente ésta comienza a disminuir? Rpta.: No, en realidad por convención las tensiones han sido calculadas en referencia de la dimensión inicial de la probeta, F/Ao Cuando se alcanza la tensión, σM La probeta comienza a sufrir una estricción dentro de la longitud calibrada. La tensión verdadera, σM = F/Areal continua aumentando hasta alcanzar el punto correspondiente a la rotura.

σM

real

convencional

Ing. Enrique De La Cruz

26

DIAGRAMA: TENSIÓN y DEFORMACIÓN REAL

AO

Ing. Enrique De La Cruz

27

ANELASTICIDAD y COEFICIENTE DE POISSON Anelasticidad Expresa el comportamiento elástico dependiendo del tiempo, como resultado de procesos microscópicos y atómicos resultantes de la deformación. ¿Qué quiere decir ello? Que en algunos materiales la deformación a lo largo de una dirección depende del tiempo, es decir, que una vez que se retira la carga, el material no vuelve instantáneamente a su posición inicial o que permanece constante en el tiempo, en otras palabras, el material requiere algún tiempo para que vuelva a su estado inicial.

Coeficiente de Poisson Representa la relación negativa de deformaciones laterales y axiales cuando se aplica esfuerzo de tracción sobre la probeta de metal. El esfuerzo en el eje z, provoca constricciones en las direcciones laterales (x e y), perpendiculares a la dirección del esfuerzo aplicado.

EJERCICIOS SOBRE ENSAYOS DE TRACCIÓN

Unidades y factores de conversión

1 libra (lb) = 4,448 newtons (N) 1 psi = 1 libra por pulgada cuadrada (lb/pulg2)

1 MPa = 106 Pa = 106 N/m2 1 ksi = 1000 psi = 6,895 MPa

1 MPa = 145 psi

EJERCICIOS SOBRE ENSAYOS DE TRACCIÓN PROB.: 1 Teniendo en cuenta que, un material se considera frágil si presenta una deformación a la fractura aproximadamente menor que 5%... ¿Qué interpretación podemos hacer del comportamiento σ-ε del hierro a tres temperaturas?

Respuesta:  A mayor T, menor σE y σM pero mayor ductilidad. Su resistencia

disminuye

pero

aumenta su ductilidad.  A T muy bajas, -200ºC por ejemplo, (deformación)

tiene

comportamiento frágil.

un

EJERCICIOS SOBRE ENSAYOS DE TRACCIÓN

PROB. 2 CÁLCULO DEL ALARGAMIENTO ELÁSTICO

Una pieza de cobre de 305 mm de longitud es sometida a tracción con un esfuerzo de 276 MPa. Si la deformación únicamente es elástica, ¿cuál será el alargamiento resultante?

Metal /aleación

E (GPa)

Acero

207

Latón

97

Cobre

110

Aluminio

69

EJERCICIOS SOBRE ENSAYOS DE TRACCIÓN PROB. 3

Una barra cilíndrica de acero (E=207 GPa) que tiene un límite elástico de 310 MPa va a ser sometida a una carga de 11 100N. Si la longitud

de la barra es 500 mm, ¿cuál debe ser el diámetro para permitir un alargamiento de 0.38 mm?

EJERCICIOS SOBRE ENSAYOS DE TRACCIÓN PROB. 4

Una muestra de aluminio puro comercialmente de 0,5” de ancho y 0,04” de espesor y 8” de longitud,

tiene una longitud calibrada de 2”, en el medio de la muestra, si se le somete a tracción de tal modo que su nueva longitud es 2,65”. Calcule la

deformación alargamiento.

unitaria

y

el

porcentaje

de

EJERCICIOS SOBRE ENSAYOS DE TRACCIÓN

PROB. 5 Una barra de cobre de 3 pies de longitud y 0,5pulg2

3 pies

de sección, está asegurada en uno de

sus extremos, en el otro extremo está asegurada

una barra de acero de longitud “L” y de sección

L

0,2pulg2. La barra así compuesta está sometida a una tensión de 6000 lb aplicadas en una de sus extremos. Calcular: La longitud “L” de la barra de acero de modo que las elongaciones sean iguales en ambas barras. E acero = 3 x

107

lb/pulg2

E Cu = 1,8 x 107 lb/pulg2.

y

F = 6000 libras

EJERCICIOS SOBRE ENSAYOS DE TRACCIÓN PROB. 6

CÁLCULO DE LA CARGA PARA PRODUCIR UN CAMBIO ESPECIFICADO DEL DIÁMETRO Do

A una barra cilíndrica de latón de 10 mm de diámetro se le aplica un esfuerzo de tracción en la dirección de su eje mayor. Determine la magnitud de la carga necesaria para producir un cambio en el diámetro de 2.5 x 10-3 mm; si la deformación es completamente elástica.

Df

Z

Lo X

Metal /aleación

E (GPa)

Acero

207

Latón

97

Cobre

110

Aluminio

69

Metal /aleación

Coeficiente de Poisson (ν)

Acero

0.30

Latón

0.34

Cobre

0.34

Aluminio

0.33

Lf

EJERCICIOS SOBRE ENSAYOS DE TRACCIÓN PROB. 7 DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS A PARTIR DEL DIAGRAMA DE ESFUERZO - DEFORMACIÓN Según el comportamiento de esfuerzo – deformación a la tracción de la probeta de un material metálico, como se muestra en la figura, determine: E (GPa)

Módulo de Acero 207 elasticidad y tipo de Latón 97 material que se Aluminio 69 ensaya. b) Límite elástico para una deformación plástica de 0,002 c) Carga máxima que puede soportar la probeta cilíndrica de diámetro original de 12,8 mm d) Cambio de longitud en la probeta, originalmente de 250mm de largo, la cual fue sometida a una tracción de 345MPa

Resistencia a la tracción 450 MPa

345

Esfuerzo (Mpa)

a)

Metal /aleación

Límite elástico 250 MPa

150

0.0016 Tomado de W. Callister – 8va. Edición

0.06 Deformación

ENSAYOS DE TRACCIÓN Ejercicios – trabajo grupal MÓDULO DE YOUNG DE UNA ALEACIÓN DE ALUMINIO Con los datos del ejercicio anterior (aleación de aluminio de 0,505 pulg de diámetro y longitud inicial de 2pulg.), calcule: 1.- el módulo de elasticidad de la aleación de aluminio. Use el módulo para determinar, después de deformarse, la longitud de una barra que inicialmente mide 50 pulgadas. Suponga que la magnitud del esfuerzo aplicado es 30 000 psi. 2.- el % de elongación y el % de reducción en área, si la aleación tiene una longitud final, después de fallar, de 2.195 pulgadas, y en la superficie fracturada el diámetro es de 0.398 pulgadas. 3.- comparar esta longitud final con la obtenida de los datos de la tabla en la fractura.

ENSAYOS DE TRACCIÓN Ejercicios – trabajo grupal Convierta los datos de carga y elongación (alargamiento) de la tabla adjunta a esfuerzo (σ) y deformación unitaria (ε) y trace una curva de σ y ε ingenieril. Resultados de un ensayo de tracción ejecutado sobre un espécimen de una aleación de aluminio de 0,505 pulg de diámetro, siendo su longitud inicial (Lo) de 2pulg. Calculado Carga (lb)

Carga máxima

Fractura

Alargamiento, ΔL, (pulg)

Esfuerzo(σ) 0 5 000 15 000 25 000 35 000 37 500 39 500 40 000 39 700 38 000

Deformación (ε)

ENSAYOS DE TRACCIÓN Ejercicios – trabajo grupal DISEÑO DE UNA VARILLA DE SUSPENSIÓN Una varilla de aluminio debe resistir una fuerza aplicada de 45 000 libras. Para asegurar que haya la seguridad suficiente, el esfuerzo máximo en la barra se limita a 25 000 psi. La varilla debe tener cuando menos 150 pulgadas de longitud, pero se debe deformar elásticamente cuando mucho 0,25 pulgada de longitud, pero se debe deformar elásticamente cuando mucho 0,25 pulgadas al aplicarle la fuerza. Resistencia a la tracción Límite elástico

Longitud de rotura

Resistencia de cedencia (deformación convencional)r

Esfuerzo(σ)

Diseñe la varilla, considerando que la sección transversal es circular, así mismo indique si la longitud de la varilla calculada cumple con el requisito, en su defecto indique qué se debe hacer.

Elongación de falla

0,0025

Deformación (ε)