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• Barajas Herban

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Introducción: Las propiedades mecánicas de los materiales pueden controlarse por la adición de defectos puntuales como átomos sustitucionales e intersticiales. Los defectos puntuales hacen que el material se endurezca por solución solida. Cuando hay introducción de defectos puntuales se modifica la composición del material influyendo sobre el comportamiento durante su solidificación. Todo ello se analiza mediante diagrama de fases de equilibrio, a partir del cual se podrá predecir cómo se solidificara un material tanto en condiciones de equilibrio como fuera de este. Los materiales tienen mucha importancia pero con frecuencia se utilizan aleaciones o mezclas de materiales. Comportamiento mecánico de los materiales: La deformación proceso por el cual una pieza metálica o no metálica, sufre elongación por una fuerza aplicada en equilibrio dinámico o estático. La deformación de piezas se relaciona con variables tales como el área transversal a la aplicación de la fuerza, la longitud inicial de la pieza y el modulo de elasticidad.

Para encontrar la deformación de un material se tiene que:

Donde:

P: Fuerza aplicada a la pieza L: longitud inicial de la pieza A: área transversal a la aplicación de la pieza E: Modulo de elasticidad del material La relación P/A se mantiene constante, así ocurran cambios en las longitudes iníciales de una pieza “A” y una pieza “B” con longitudes L1 y L2, mientras se tenga la relación P/A y el material no cambie. Si se reordena la ecuación

Se define la deformación unitaria como:

Y el esfuerzo axial como la relación de fuerza sobre área transversal:

Y así se obtiene la ley de Hooke que dice: ‘las deformaciones producidas por un elemento resistente son proporcionales a las fuerzas que lo producen’.

Esta ecuación permite relacionar el esfuerzo aplicado y la deformación unitaria y con ello se generaliza el cálculo de la deformación tanto para piezas de dimensiones enormes como para chicas. La ley de hooke no es aplicable para cualquier fuerza aplicada a una pieza ya que cada material tiene propiedades mecánicas definidas tales como: elasticidad, plasticidad, maleabilidad, dureza, etc. Los diagramas para esfuerzo-deformación unitario varia de un material a otro pero se distinguen algunas características comunes en los diagramas de distintos grupos de materiales, y así se dividen en dos categorías que son materiales dúctiles y frágiles. DIAGRAMA ESFUERZO-DEFORMACION UNITARIA

En este diagrama se presenta un material dúctil ya que el material fluye después de cierto punto de fluencia; la ley de Hooke se aplica solo para la zona elástica que esta antes del punto de fluencia. La deformación de los materiales produce mayores niveles de dureza y resistencia mecánica. El aumento de dureza por deformación en un metal se da fundamentalmente por el desplazamiento de los átomos del metal sobre planos cristalográficos llamados de deslizamiento.

TIPOS DE FUERZAS

Fuerzas de tensión o tracción: esta fuerza aplicada intenta estirar el material a lo largo de su línea de acción.

Fuerza de flexión: esta fuerza actúa sobre el cuerpo tratado de doblarlo, alargando fibras internas y acortando otras.

Fuerza de compresión: esta fuerza intenta comprimir o acortar el material a lo largo de su línea de acción.

Fuerza de cizalladura o cortadura: las fuerzas actúan en sentido contrario sobre dos planos contiguos del cuerpo, tratando de producir deslizamiento de uno con respecto al otro.

Fuerza en torsión: la fuerza externa intenta torcer el material y se llama torque o momento de torsión.

El concepto de esfuerzo de los materiales se mide en unidades de presión así como lb/in2 o kg/cm2 En la deformación simple hay cambios en las dimensiones de un miembro estructural cuando hay cargas externas. Deformación unitaria: Relación existente entre la deformación total y la longitud inicial del elemento, la cual permitirá determinar la deformación del elemento sometido a esfuerzos. La deformación unitaria está definida por:

Modulo de Young: Constante de proporcionalidad entre la deformación elástica y el esfuerzo uniaxial; pendiente en línea recta de la grafica esfuerzo- deformación unitaria. Este caracteriza el comportamiento de un material elástico según la dirección de la fuerza aplicada. E= σ/ε= (F/S)/ (∆L/L) E: Modulo de elasticidad σ: Presión ejercida sobre el área de sección transversal del objeto. ε: Deformación unitaria en cualquier punto de la barra. La deformación de 2 prismas mecánicos idénticos tendrá una deformación inversamente proporcional a Young. σ= E* ε La resistencia mecánica de un material es su capacidad de resistir esfuerzos y fuerzas; los tres esfuerzos básicos son: Esfuerzo de tensión: Tiende a estirar el miembro y romper el material; las fuerzas que actúan sobre este tienen la misma dirección, magnitud y sentidos opuestos hacia fuera del material.

T: fuerza perpendicular al área transversal del elemento At: Área transversal del elemento.

Esfuerzo de compresión: Tiende a aplastar el material del miembro de carga y acortar al miembro en sí; las fuerzas que actúan sobre este tienen la misma dirección, magnitud y sentidos opuestos hacia adentro del material.

Esfuerzo cortante: este esfuerzo busca cortar el elemento y la fuerza actúa de forma tangencial al área de corte.

V: Fuerza tangencial al área transversal del elemento. Ac: área de corte del elemento. ENSAYO DE TENSION

Se utiliza para medir la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Esta prueba consiste en alargar una probeta de ensayo por fuerza de tensión, que se ejerce gradualmente y tiene como fin conocer las propiedades mecánicas de los materiales tales como: resistencia, rigidez y ductilidad; por ende la muestra es destructiva ya que el material se somete a esfuerzo donde este llega a su punto de quiebre y por lo tanto se rompe. Se sabe que los resultados obtenidos del ensayo son aplicables a todo tamaño de la muestra; los resultados se llevan a cabo a temperatura ambiente entre 10° c y 35° c.

El comportamiento de los materiales frente a este ensayo se ilustra en la figura 2 en donde se muestra de forma cualitativa las curvas de esfuerzo-deformación unitario para un metal, un material termoplástico, un elastómero y un cerámico. El material plástico está arriba de su temperatura de transformación vítrea, mientras tanto el material metálico y termoplástico muestran primero una región elástica, seguida de una región plástica no lineal. Para los elastómeros la mayor parte de deformación es elástica y no lineal, mientras que los cerámicos y vidrios muestran una región elástica lineal y no muestran deformación plástica a temperatura ambiente. ENSAYO DE TRACCION

Este ensayo consiste en someter una pieza de forma cilíndrica o prismática de dimensiones estándar a un esfuerzo de tracción continuo, a la pieza se le da el nombre de probeta. σ = F/A0 Donde σ es el esfuerzo o tensión A0 se define como Sección transversal de la probeta F como la fuerza aplicada Sus unidades de medida son N/m2 Suponer que durante el ensayo la varilla se alargo una longitud ‘l’ ∆l= l-l0 El alargamiento de la probeta se define como el cociente entre el cambio de longitud o alargamiento experimentado y su longitud inicial. ε= (l-l0)/l0= ∆l/l0 Y no lleva unidades % deformación= ε *100 Cada material tiene una grafica distinta porque su comportamiento es distinto, y suele haber 2 zonas. En la primera zona la deformación es proporcional a la tensión de tracción. En la segunda zona a pequeñas variaciones de tensión se producen grandes deformaciones. En la región de las abscisas la deformación ε= ∆l/l 0 En ordenada al origen; tensión o esfuerzo σ = F/A 0 A0 se da en cm2 y σ en kp/cm2

Zona de proporcionalidad (op): en la grafica se muestra como línea recta donde el alargamiento unitario es proporcional a la tensión ejercida. σ= constante *ε Constante =E (modulo de elasticidad) Zona no proporcional (PE): donde el material se comporta de forma elástica, pero no existe relación proporcional entre la tensión-deformación. En la zona plástica (BE) hay 2 zonas Zona de deformación plástica uniforme o zona de límite de rotura (ER): Se consigue un alargamiento grande con pequeños incrementos en la tensión. En el punto R existe el límite de rotura y la tensión recibe el nombre de tensión de rotura; a partir de este punto la probeta se considera rota aunque no lo esté. Zona de rotura o zona de estricción o zona de deformación plástica localizada (RS): la deformación es localizada y si se disminuye la tensión, el material de deforma hasta la rotura. Cuando existe rotura, la probeta se reduce drásticamente. Una vez definida la curva de tracción, veamos algunas definiciones

a) Límite de elasticidad o límite elástico (σE): La tensión a partir de la cual las deformaciones dejan de ser reversibles, es decir, la probeta no recuperará su forma inicial. b) Límite de rotura o tensión de rotura (σR): Máximo valor de la tensión observable en un diagrama tensión-deformación. Esta es la máxima tensión que soporta la probeta. c) Módulo de Young (E): Constante que representa la relación entre la tensión y la deformación en la zona proporcional. También se le llama módulo de elasticidad. d) Límite de proporcionalidad (σP): La tensión a partir de la cual deja de cumplirse la relación proporcional entre tensión y deformación y, por lo tanto, se deja de cumplir la ley de Hooke. e) Límite de fluencia (σF): valor de la tensión que soporta la probeta en el momento de producirse el fenómeno de la fluencia. f) Estricción: es la reducción de la sección que se produce en la zona de la rotura. La prueba es destructiva ya que se modifican las dimensiones de la probeta o material. Ensayo de flexión: Los ensayos de flexión de 3 puntos presentan métodos clásicos de caracterización; los resultados que presenta son el modulo E de flexión, la tensión así como alargamientos en el límite elástico y el caso de rotura de probeta. Estos resultados muestran el comportamiento del material más cercano a la superficie de la probeta; las flechas medidas en el ensayo de flexión son aproximadamente 4 veces superiores a las extensiones producidas en el ensayo de tracción.

La formula de la tensión será, como ya sabemos la relación del esfuerzo con la sección donde actúa. El momento flector máximo en la viga es igual: Mfmax = P. (L – d) / 4 Siendo P la carga total, L la distancia entre apoyos y d la separación entre las cargas Si el modulo resistente Wz es: Wz = p. d³ /32 Remplazando en la formula que determina la tensión y considerando el momento flector máximo, obtenemos la “resistencia estática o modulo de rotura de la flexión”.

El valor de las flechas en los ensayos de verificación, suele ser un requisito a satisfacer indicándose, de acuerdo al empleo del material una máxima o mínima según que se desee su comportamiento como “flexible “o frágil. Ensayo por compresión: El ensayo por compresión entre bloques, es más conveniente para obtener información sobre el comportamiento del material. En conformado plástico de metales, la presión se describe como: P=σ0 g (f) h(c) Con σ0: tensión de fluencia del estado tensional correspondiente, g (f) función de la fricción en la interface pieza-herramienta, h (c) función de la geometría (de la pieza y de la herramienta). Se somete al material a una carga axial de compresión. Probetas: cilindros o prismas rectos de caras paralelas. Aplicación de la carga: axial y centrada (para que el estado tensional sea uniforme) Se miden cargas y acortamientos. σ0= P/A0 e= ∆h/h0 Observaciones: Admite grandes deformaciones, no hay estricción, posibilidad de pandeo, la fricción genera triaxialidad de tensiones y no homogeneidad de deformaciones. Tensiones σ1= σ2 =0, σ3= P/A Deformaciones ε1= ε2=- ε3/2 ε3 =ln (-h/h0)

En régimen elastoplastico σv = σ0 (1-e) εv=-ln ((1)/ (1-e)= ln (1-e) Para trabajar en el primer cuadrante del grafico de tensiones vs deformaciones: εv=-ln (h0/h)

El ensayo se considera destructivo ya que cambian las dimensiones de la probeta hasta su quiebre. Ensayo de fractura por fatiga: Aquí la pieza está sometida a esfuerzos variables en magnitud y sentido que se repiten con frecuencia.

Cuando el material está sometido a esfuerzos que varían de magnitud y sentido continuamente, se rompe con cargas inferiores a las de rotura normal para un esfuerzo de tensión constante. Estos son los valores que se miden en esfuerzos que se someten las piezas: El valor máximo de la tensión a que está sometida.

El valor mínimo de la tensión La diferencia entre el valor máximo y mínimo El valor medio σ med Existe un valor ∆σf donde no se produce rotura por fatiga y se le conoce como limite por fatiga. La diferencia entre el esfuerzo máximo y el mínimo que sufre la pieza supera al ∆σ f se corre el riesgo de rotura. Ensayo de dureza: Para este ensayo se utiliza la escala de Mohs establecida para 10 materiales donde cada uno de ellos es rayado por el siguiente en la escala. Otro método es la escala Martens donde un cono de diamante raya la superficie del material cuya dureza se quiere medir; la dureza del material es la inversa de la anchura de la raya. Ensayo de penetración: Mide la resistencia que ofrece un material a ser penetrado por una pieza llamada penetrador. Ensayo Brinell. El penetrador aquí es una esfera de acero templado de gran dureza a la que se le aplica una carga establecida donde en función del diámetro de la huella se calcula la dureza del material. Se usa en materiales blandos o muestras delgadas y se determina por grados brinell se mide en kp/mm2 HB=F/S F fuerza aplicada sobre la superficie del material S superficie de la huella que deja el penetrador sobre la superficie.

Ensayo Vickers Aquí se utiliza una pirámide regular de base cuadrada como penetrador; los espesores de las piezas pueden ser muy pequeños, en cambio con el ensayo brinell no ocurre tal hecho. Se utilizan cargas muy pequeñas desde 1 a 120kg. La expresión se mide según la expresión HV= F/S HV se expresa en kp/mm2

Ensayo Rockwell En este ensayo se determina la profundidad de la huella a diferencia de los otros que miden el área de la huella producida; la dureza se mide en HRB para materiales blandos y en HRC en materiales duros, en el primer caso se usa una esfera de acero y en el segundo caso un cono de diamante. Pasos para este ensayo 1.- Aplicar al penetrador una carga de 10 kg durante un tiempo establecido, esta carga producirá una huella con profundidad h0. 2.- Depende de la dureza del mineral la adición de una carga desde 60kg a 150 kg. Se genera otra huella con profundidad h 1. 3.- Retirar carga adicional, la huella adquirirá una profundidad e=h 1-h0 La dureza Rockwell se determina por: HRC=100-e o HRB= 130-e. Ensayo para medir la tenacidad Se dice que la tenacidad es la energía total que absorbe un material antes de alcanzar la rotura en condiciones de impacto. Este ensayo mide la capacidad de un material que contiene defecto a resistir una carga aplicada y por ende es una propiedad cuantitativa del material; el ensayo se

realiza aplicando un esfuerzo a la tensión a una probeta preparada con un defecto de tamaño y geometría conocidos. El esfuerzo aplicado al material se intensifica por el defecto, el cual actúa como un concentrador de esfuerzos. El factor de intensidad de esfuerzo k es K=f σ (pi*a) ^1/2 La tenacidad a la fractura depende del espesor de la probeta: conforme se incrementa el espesor, la tenacidad k, disminuye hasta un valor constante y se conoce como tenacidad a la fractura de deformación plana k c. Kc= k requerida para que una grieta se propague. Sus unidades son ksi (plg) ^1/2=Mpa (m) ^1/2

Cuando se incrementa la rapidez de la aplicación de la carga en impacto, se reduce la tenacidad a la fractura del material; una estructura de grano pequeño mejora la tenacidad a la fractura, donde mayor cantidad de defectos puntuales y dislocaciones reducen esta cualidad.

Ensayo para evaluar la resiliencia de un material:

Para este caso se usa el ensayo Charpy donde se usa una probeta de sección cuadrada provista de una entalladura que es sometida a la acción de una carga de ruptura por medio de un martillo que se desplaza en una trayectoria circular. La energía absorbida por la ruptura se llama resiliencia p y se mide en J/m 2 Ep =m g (H −h) P= Ep/A0 Ep = Energía potencia absorbida en la ruptura en Julios (J) m = Masa del martillo en kg g = Gravedad terrestre 9,8 m/s2 H = Altura desde la que cae el martillo en metros (m) h = Altura que alcanza el martillo después de romper la probeta en metros (m) ρ = Resiliencia en Julios por metro cuadrado (J/m2) Ao = Sección de la probeta por la parte de entalladura en metros cuadrados (m2) Ensayos no destructivos para fines particulares Se denomina ensayo destructivo a cualquier prueba practicada a un material que no altere de forma permanente sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales, ejemplos de ellos son: Ondas electromagnéticas, acústicas, elásticas, emisión de partículas subatómicas, capilaridad, absorción, etc. La amplia aplicación de los métodos de ensayos no destructivos en materiales se encuentra resumida en los tres grupos siguientes: Defectología. Permite la detección de discontinuidades, evaluación de la corrosión y deterioro por agentes ambientales; determinación de tensiones; detección de fugas. Caracterización. Evaluación de las características químicas, estructurales, mecánicas y tecnológicas de los materiales; propiedades físicas (elásticas, eléctricas y electromagnéticas); transferencias de calor y trazado de isotermas. Metrología. Control de espesores; medidas de espesores por un solo lado, medidas de espesores de recubrimiento; niveles de llenado. PND superficiales Estas pruebas proporcionan información acerca de la sanidad superficial de los materiales inspeccionados. VT – Inspección Visual PT – Líquidos Penetrantes MT – Partículas Magnéticas

ET – Electromagnetismo PND volumétricas Estas pruebas proporcionan información acerca de la sanidad interna de los materiales inspeccionados. RT – Radiografía Industrial UT – Ultrasonido Industrial AE – Emisión Acústica Estos métodos permiten la detección de discontinuidades internas y sub-superficiales, así como bajo ciertas condiciones, la detección de discontinuidades superficiales. PND de hermeticidad Estas pruebas proporcionan información del grado en que pueden ser contenidos los fluidos en recipientes, sin que escapen a la atmósfera o queden fuera de control. Pruebas de Fuga Pruebas por Cambio de Presión (Neumática o hidrostática). Pruebas de Burbuja Pruebas por Espectrómetro de Masas Pruebas de Fuga con Rastreadores de Halógeno Ensayo por rayos x: En este ensayo se obtiene una radiografía que es una imagen registrada en una placa o película fotográfica, o de forma digital (Radiología digital directa o indirecta) en una base de datos. La imagen se obtiene al exponer al receptor de imagen radiográfica a una fuente de radiación de alta energía, comúnmente rayos X o radiación gamma procedente de isótopos radiactivos (Iridio 192, Cobalto 60, Cesio 137, etc.). Al interponer un objeto entre la fuente de radiación y el receptor, las partes más densas aparecen con diferentes tonos dentro de una escala de grises, en función inversa a la densidad del objeto. Ensayo por ultrasonido El aprovechamiento del ultrasonido ha ganado espacio importante entre las técnicas de ensayos No-destructivos. Se considera ultrasonido aquellas oscilaciones de presión que poseen frecuencias por encima de la gama audible (esto es, superior a 20 000 Hz).

El ensayo por ultrasonido es un método no destructivo, en el cual un haz sónico de alta frecuencia (125 KHz a 20 MHz) es introducido en el material a ser inspeccionado con el objetivo de detectar discontinuidades internas y superficiales. El sonido que recorre el material es reflejado por las interfaces y es detectado y analizado para determinar la presencia y localización de discontinuidades. Ensayo por partículas magnéticas La inspección por partículas magnéticas es un método para localizar discontinuidades superficiales y sub. Superficiales en materiales ferromagnéticos. Limitaciones que deben tenerse en cuenta, por ejemplo, las películas delgadas de pintura y otros recubrimientos no magnéticos tales como los galvanostegicos, afectan adversamente la sensibilidad de la inspección. Además el método solo es útil en materiales ferromagnéticos.

Conclusiones: Para conocer alguna propiedad mecánica de ciertos materiales se deben de hacer estudios para conocerlas; estos estudios pueden ser destructivos y no destructivos donde los destructivos consisten en que la pieza estudiada cambia sus dimensiones y esta queda inservible por que sufre ruptura. Y los no destructivos donde la pieza no sufre algún cambio significativo en su estructura. Cada estudio que se le hace al material es diferente y se miden distintas variables, para conocer los parámetros que las rigen. Cada material tiene distinto comportamiento relacionado con la curva de esfuerzodeformación porque se comportan de manera diferente en diversos parámetros. Todas las propiedades mecánicas se relacionan con las variables de esfuerzodeformación aplicándose la ley de hooke y relacionándose con el modelo de Young, además de que otras se rigen por otros parámetros como lo es la tracción-deformación, etc. Bibliografía:

Ciencia e ingeniería de los materiales. Donald Askelan. Tercera edición. Editorial Thomson. 1998. Páginas de internet consultadas los días 29, 39, 31 de marzo y 1, 2 de abril del 2014 http://copernico.escuelaing.edu.co/lpinilla/www/protocolos/MATE/tension.pdf http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/ensayos.pdf http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/6229/7/06.pdf http://www.zwick.es/es/aplicaciones/plasticos/termoplasticos-compuestos-demoldeo/ensayo-de-flexion.html http://www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi2000/santa-fesur/ensayodemateriales/ensayos/flexion.htm http://www.scribd.com/doc/97024465/Ensayo-de-Compresion http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/ensayo-de-fatiga-ydureza.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Ensayo_no_destructivo#M.C3.A9todos_y_t.C3.A9cnicas http://es.wikipedia.org/wiki/Tenacidad

Universidad de Colima Facultad de ciencias químicas

Ingeniería química metalúrgica Metalurgia en estado sólido María Antonia Carvajal García Herban Barajas Aparicio 8ºD Coquimatlan, Colima.

Jueves 3 de abril del 2014