4 - Propiedades Mecanicas

 

4 Propiedades Temamecánicas Concepto de tensión y deformación Diagrama tensión-deformació tensión-deformación n   Comportamiento plástico Dureza  

1 Tema 4

 

CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS Material Mater ial en servicio: Fuerzas o cargas

Deformación

Rotura

¿ Comportamiento mecánico ? Propiedades Pr opiedades mecánicas

Ensayos Ensay os mecánicos

• Resis esiste tenc ncia ia • Dureza

Factores: • Natur Naturalez aleza a de la carg carga

• Rig igiidez

• Magnit gnitud ud • Condic Condicion iones es del medio medio 2

Tema 4

 

Definiciones Tensión = Fuerza que actúa / unidad de área Tracción : esfuerzo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto y tienden a estirarlo. Compresión: dos fuerzas que también actúan en sentido opuesto y tienden a comprimirlo. Cizalladura: aplicación de un par de fuerzas coplanares Torsión : momento producido por dos fuerzas sobre un cuerpo con un centro de rotación Flexión : esfuerzo de alargamiento en una dirección  a su eje longitudinal cu a que ex s e para rayar o pene rar a super c e me an e una ureza: punta o penetrador. rompe. Tenacidad : energía que absorbe un material cuando se rompe. . Plasticidad : posibilidad de deformarse permanentemente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su . Ductilidad: deformarse permitiendo obtener alambres o hilos. Maleabilidad : capacidad de dar forma por deformación para obtener   . 3 Tema 4

 

CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS Tipo s d de e esfu esfuerz erzo o F F

F F S 

0 

t  0 

0 

FF

S 

t 



l

0

F

F F F racc n

ompres n

or an e o

za a

ors n 4

Tema 4

 

• Tensión simple: simple: cable 

 

• Esfuerzo de cizalla: cizalla: eje





• Compresión Simple

o

Bal anc Bala nced ed Rock, Arches National Park

Tema 4

Canyon Bridg dge, e, Los Los Alamos mos,, NM NM

5

 

• Tensión Tensión Biaxial: Biaxial:

Tanque presurizado

• Compresión hidrostática :

Pez bajo el agua

   z > 0

 h< 0 6

Tema 4

 

• Torsión: Torsión:

• Flexión :

Tracción

Tema 4

Flexión Compresión

7

 

CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS Tensión:

  



Unidades: Pa 

S0

F: aplicada S0:fuerza sección inicial perpendicular a F

Deformación:

 



l  l0  l0



l

μ

=-

x z

  = -

Valor máximo:

y z

µ  0,50

1 MPa = 106 Pa = 0,1Kg/mm2

x 100

l0

Coefic oeficiente iente de Pois oisso son n

N m2

l: longitud l0: longitud inicial

Material Metales y aleaciones Alúmina

 

μ

0,25-0,35 0,26

Hormigón

0,10-0,20

Polietileno

0,46

Caucho

0,50 8

Tema 4

 

ENSAYO DE TRACCIÓN

Célula de carga

zona calibrada (2”)   Extensómetro

Mordazas

ues ra

9 Tema 4

 

180000

FM



600

FR

160000

R

P

500

F 140000

P 400

120000    )    N100000    (   a   z   e   r   u 80000

   )   a    P 300    M    (  

200

60000 40000

100

20000 0

0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0

0,02 0,04 0,06 0,08



 Al arg am i ento en to (m m )

agrama m qu na

0,1

  10

Tema 4

 

La curva tensión-deformación presenta dos regiones distintas 600

Rotura

Límite de 500

 

     )

Deformación ue se recu etemporal ra cuando cesa el esfuerzo aplicado

Deformación ermanente ue no se recupera cuando cesa el esfuerzo aplicado

   P   a 300    M    (  

200

100

Diseño de estructuras

Procesos de fabricación 0 0

0,02 0,04 0,06 0,08

0,1

 11 Tema 4

 

elástico//plástico Comportamiento elástico F F

F

S0 S 0

F

S0 S 0

l

l

F F

l

l

F

0

F

12 Tema 4

 

  a    P    M   o   z   r   e   u    f   s    E

 Alargamiento  Alargamie nto LL-L L0/L0 x 100

estricción

13 Tema 4

 

MÓDULO DE ELASTICIDAD

La linealidad de la representación tensión-deformación en el tramo elástico viene dada por la Ley de Hooke: 600 600

400 400

Tensión

   )   a    P300 300    M    (

Deformación

Módulo de Young

 

E represe representa nta la rrigid igidez ez del ma materia terial: l: es s enc a e un ma er a a a

100 100

0 0

0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012



deformación elástica 14

Tema 4

 

MÓDULO DE ELASTICIDAD

600

Relacionado con la fuerza de 500

enlace 400

Intrínseco de cada material

   )   a    P 300    M    (



 

200

Energía 100

ro 0 0

0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012



r menor Módulo Elástico

Mayor Módulo Elástico 15

Tema 4

 

Valores representativos del Módulo de Elasticidad Aleaciones 1200 1000 800 600

200

E(GPa)

80 60 40

Composites Polímeros Diamond

E cerámicos

Si carbide    ox e

 

Molybdenum Si nitride Steel, Ni Tantalum Si crystal Platinum Cu alloys Zinc, Ti Silver, Gold Glass-soda Aluminum Magnesium, Tin Concrete

CFRE(|| fibers)* Aramid fibers only

AFRE(|| fibers)* Glass fibers only

GFRE(|| fibers)* GFRE*

20 10 8 6 4

9 

2

CFRE* GFRE( fibers)*

Graphite

Polyester PET PS PC

AFRE(  fibers)**

Epoxy only

PP HDPE

1 0.8 0.6 0.4 Tema 4

> E metales >> E olímeros

0.2

PTFE LDPE

Wood( grain)

16

 

LÍMITE ELÁSTICO Define la transición de deformación elástica a plástica El límite elástico convencional es la tensión que produce en el material una deformación permanente ε = 0,002 (0,2%). Se determina fácilmente en la curva de tracción llevando sobre la escala de dilataciones 0,002, y trazando   . es = σ0.2%

600

?

0,2% 

500

   )   a 300    P    M    (

•

, 1%

 

• Ce Cerá rám micos icos:: Límite elástico a compresión

200

100

• Es u una na medida medida de la resi esisten stencia cia a lla a deformación plástica

0 0

0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012



Tema 4

• Im Impo porta rtante nte par para el d dis iseño eño   se ha procesado el material

17

 

Valores representativos del límite elástico eac on one e 2000

   ) 700    a    P600 500    ( 400 1000

   y

300        , 200

   c    i    t    s 100 70    l    e 60    e 50 40    i 30

s Metálicas Steel (4140)qt 

Ti (5Al-2.5Sn) a W (p (pur ure) e) Cu 71500 cw Mo (pure) Steel (4140)a Steel (1020)cd Al (6061)ag ee (1020) Ti (pure)a Ta (p (pur ure) e) Cu (71500) hr

Al (6061)a

   m    í    L 20 10 Tema 4

Tin (pure)

 .    e    t    i    m    í    l    l    e    s    e    t    n    a    e    r    r    u    o    e    t    n    e    m    l    r   a    d ¨    s    u    e    a    r    m    t    e   u    d   c    a    l    i    r    f     a    í    l    f    i  ,    D   n    ó    i    s    n    e    t      e    e    u    q    a    Y

o meros

dry

PC Nylon 6,6 PET humid PVC PP HDPE

ompos es /fibras

 .    e    t    i    m    í    l     l    e   e    u   d    q   s    a   e    y   t    n    a   a    c    i    e    í    e    x   c    o    p   u    e   s    y   e    t    a    n  ,    r    c    i    i    e    l    e   á   a    r   u    m    e   s    e   c   u    d   z    i    a    r    l    r    t    u    i    a   t    c    í    c    a    r    f    i    f    D   e    d   a    s   l  ,    o    t    n    s   ó    e   i    u   s    n    e    t    m    o   n    e    c    n    E

0(cerámicos)  >> 0 (polímeros) Valores a T amb. a = recocido hr laminado caliente ag = envejecido cd = estirado en frio cw = trabajado en frio qt = templado y rev revenido enido

LDPE

18

 

  elastoplástica  

•

• Gradua l

 

•

(algunos aceros)

no lineal

Límite superior

  0,2% 

  LE      )   a    P    M    (

inferior

   )   a    P    M    (

   )   a    P    M    (

 

 

 

  0 5% 

0

0,004

0, 008



0, 012

0

0,004

0,008



0, 012

0

0,004

0,008

0, 012



19 Tema 4

 

Valores representativos del UTS Aleaciones Grafito Cerámicos Metálicas Semicond.

   )

5000

   P    M 1000    (    S

2000

     

   a  ,    i    n    á    c    m    a    i    c    n    t    i    s    e

300 200 100

C fib fiber ers s Aramid Arami d fib   Steel (4140)qt 

AFRE(|| fiber) GFRE(|| fiber) CFRE  fiber

Diamond W (p (pur ure) e) Ti (5Al-2.5Sn)a ee Si nitride Cu (71500)cw Cu (71500)hr Al oxide Steel (1020) ag (6061) a Al Ti (pure)a (pure) Ta (p (pur ure) e) Al (6061)a Si crystal

40

Glass-soda Concrete

20

Graphite

valores a Tamb.

TS ~ TS metálico ~ TS

 

>> TS polímeros Nylon 6,6 PC PET PVC PP HDPE

wood(|| fiber) GFRE( fiber) CFRE CF RE   fi fibe berr AFRE( fiber)

LDPE

wood(

1 Tema 4

Polímeros Composites /fibras

fiber)

a = recocido hr = laminado en caliente ag = envejecido cd = trefilado en frío cw = deformado en frío   AFRE, GFRE, & CFRE = Compuestos epoxy reforzados con aramida, vidrio y carbon, con 60% v de fibras 20

 

Ductilidad uctilidad • Alar Alargam gamiento iento rela relativo tivo porcentual porcentual::

lo

l l

So

S f 

l f 

 

%



 

l0

x 100

 

•

% E   S 0  

 S f 

x 100

0

< Mucha deformación plástica

  Material dúctil

Valores típicos de ductilidad en metales: - Re Recoc cocido idos: s: hasta hasta 40% 40% - Def Deform ormados ados en en frío: frío: < 10% 21 Tema 4

 

Ductilidad uctilidad

22 Tema 4

 

Fractura Dúctil

• Evolución de la rotura estricción

nucleación cav a es

 formación  formación gr e a

rotura super c e

ractura



Superfices de  fractura  fractur a (acero) Partículas sirven como nucleación de cavidades 23 Tema 4

 

Superfi uperfici cie es de d e Fractu Fractura ra Frágil Frágil (entre • Intergranular Intergranular (entre granos)

• Intragranular Intragranular (dentro (dentro granos)

Acero Inox 316 metal)

160m Acero Inox 304 metal)   mm

Polipropileno polímero) 1 mm Tema 4

• Rotu Rotura ra por cliv clivaje aje

Al2O3 Cerámico) 3m

24

 

Mó ódulo dulo de d e resiliencia resiliencia 600

0

  0,2% 500

r 

0 400

3

 

 

   )   a    P    M300    (

eg n nea :

 

200

1 r 

100

0

2

   

0

0

1 (  0 ) 2 2

 E 

0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012

 25 Tema 4

 

Tenacidad toughness) 700

Representa la energía absorbida por Representa unidad de volumen antes de la fractur fractura a 500

400

      )     a       P       M       (

 

200

100

0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

 

26 Tema 4

 

alta resistencia   baja tenacidad, cerámicos alta resistencia  

alta ductilidad ,   compuestos matriz polimérica   alta ductilidad baja tenacidad, 

27 Tema 4

 

Tensión tangencial crítica. Factor de SCHMIDT  en menos e

es zam en o. es

R  : Tensión de cizalladura resuelta  = F/A0 R  = FR  /A

FR  =  = F cos   = A /c /cos os

R  =  cos  cos  28

Tema 4

 

•   La te tensión nsión    debida a una fuerza de tracción F es tanto más elevada   •   Tensión crítica crítica correspondiente correspondiente a un sistema de desliz desliza amie miento nto dado dado se alcanza lcanza durante du rante el ensayo de tracción t racción  con una fuera F más más baja baja,, si la orientación, del sistema de deslizamiento es favorable y cos  c o s  tiene un valor alto. F =

= S

•   El mayor valor de   pro produc ducid ido o por po r una un a carga carga dada F se obtendría sobre sob re un sistema siste ma de desliz desliza amiento miento ara el ue   = 45º

 1 F =     =   max 

•   Si el plano de desliza deslizamiento miento es normal al al eje de tracción tracción    = 90º y si es tant tanto o e en n un caso caso c com omo o en en otro otro    = 0  no se aralelo a él    = 90º produce deslizamiento. •

, sin previa deformación plástica por deslizamiento. Tema 4

29

 

Tensión tangencial crítica. Factor de SCHMIDT 

30 Tema 4

 

Endurecimiento por deformación e influenci ciaa de de la la te tem era rattura

800    ) 600    a

-200°C -100°C

   M    ( 400    s    s    e 200    t    S

0 0

25°C

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

31

Strain

Tema 4

 

Dureza - A menor menor profundidad profundidad de la huella mayor dureza

 Hu  Huella ↓ Huella

Dureza  

↑ Dureza

Plasticidad  

↓ Plasticidad

32

Tema 4

 

sca alas de d e du durez reza a Esc

33

Tema 4

 

Dureza Rockwell Cdentntad El in inde ador or

se pr pree-ca carrga sobr sobree la muestra (10 Kg).

Se aplica una carga mayor  producir la la deformación deformación plástica.

para

Se mide mide el tama tamaño ño/p /pen enet etra raci ción ón de la indentación (normalmente 1-2 mm). Es

- Nece Necesi sida dad d de prep prepar arac ació ión n supe su perr c a - Defectos en la huella

34

Tema 4

 

Dureza Vickers

HV

Tema 4

= 1.8544 * ) / d

2

35

 

DUREZA BRINELL

Tema 4

36

 

DUREZA MHOS

Tema 4

37

 

ESCALAS

Tema 4

38

 

Ensayo impacto o Charpy   de tensiones

, Char

samp e

 final hei ht 

initial hei ht 

39

Tema 4

 

 

Tema 4

40

 

Ensayo impacto o Charpy

41

Tema 4

 

Tr Tran ansi sici ción ón dú dúcti ctill - fr frág ágil il

42

Tema 4

 

Efecto de la Est stru ruct ctur ura a vs Tª

Tema 4

43