Tema 1. Fundamentos Mecánicos

TEMA 1

FUNDAMENTOS MECANICOS   

Introducción Propiedades físicas y mecánicas Ensayos para determinación de las Propiedades Mecánicas

INTRODUCCION 

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Para utilizar los materiales efectivamente, los ingenieros deben ser capaces de predecir como éstos reaccionaran cuando estén sujetos a uso específico. No solo debe predecirse su comportamiento en servicio, también su comportamiento al ser procesados. En la mayoría de los casos el procesamiento está condicionado condicionado por las propiedades de los materiales. Los ingenieros de producción requieren del conocimien conocimiento to de las propiedades propiedades de los materiales materiales y los métodos de determinación determinación de las mismas.

PROPIEDADES FISICAS 

Para distinguir un material de otro empleamos sus propiedades: Color, densidad, calor específico, coeficiente de expansión térmica, conductividad térmica, conductividad eléctrica, resistencia y dureza.

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Algunas de estas propiedades describen la reacción del material al uso mecánico y a menudo son llamadas propiedades mecánicas de los materiales.

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Las

Prop Propie ieda dade des s

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PROPIEDADES MECANICAS Describen la forma en que un material soporta fuerzas aplicadas. Entre ellas: Es la propiedad que tienen ciertos materiales de soportar, sin deformarse ni romperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen. Mide la resistencia de un material a la propagación de una fisura. Tenacidad:

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Elasticidad: Consiste en la capacidad de algunos

materiales para recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que había determinado su deformación. ureza: Es la resistencia que un material opone a la

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penetración.

Un material es frágil cuando se rompe fácilmente por la acción de un choque (poca o ninguna deformación).

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Fragilidad:

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Plasticidad: Aptitud de algunos materiales sólidos de

adquirir deformaciones permanentes, bajo la acción de una presión o fuerza exterior, sin que se produzca rotura. Considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad que poseen ciertos metales para poder  estirarse en forma de hilos finos.

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Ductilidad:

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Maleabilidad: Otra variante de la plasticidad, consiste en

la posibilidad de transformar algunos metales en láminas delgadas.

El por qué? 

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Las miríadas de enlaces químicos y/o Físicos entre átomos y moléculas mantienen unidos a los sólidos y pueden destruirse de diferentes maneras. Debido a que los enlaces son siempre los mismos, no importa por que medio se los rompa, uno podría erróneamente suponer que ahora que los Químicos y Físicos saben mucho acerca de la naturaleza de los mismos no habría dificultad en relacionar la fractura mecánica con la disolución, la fusión o el ataque químico. Decir esto sería suponer que el comportamiento Mecánico de los Materiales podría considerarse una rama de la Química. El Comportamiento Mecánico de los Materiales, esta por supuesto, relacionado con los Enlaces Atómicos pero la relación es tan indirecta que no existe actualmente una teoría que comunique simple y enteramente a la Química Clásica o la Física Atómica con la Resistencia Mecánica, la Deformación y Fractura de Materiales que son en esencia los principales fenómenos asociados al Comportamiento Mecánico de los Materiales. Debido a ello las Propiedades Mecánicas, factores esenciales del Comportamiento mecánico deben obtenerse por Ensayos y no mediante ecuaciones basadas en magnitudes asociadas al Átomo.

ENSAYOS MECANICOS Las anteriores propiedades mecánicas se valoran con exactitud mediante ensayos estandarizados de laboratorio, donde las variables que pueden influenciar la respuesta son controladas. Estos son llamados Ensayos mecánicos: 

Ensayo de tracción: Ofrece una idea aproximada de la tenacidad y

elasticidad de un material. 

Ensayos de dureza: Permiten conocer el grado de dureza del

material. 

Ensayos al choque: Su práctica permite conocer la fragilidad y

tenacidad de un material. 

Ensayos tecnológicos: Ponen de manifiesto las características de

plasticidad que posee un material para proceder a su forja, doblado, embutido, etc.

Ensayo de Tracción 

Una probeta preparada específicamente, se coloca en las cabezas de la máquina de prueba y se somete a una carga axial por medio de un sistema de carga de palanca, mecánico o hidráulico.

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Si se conoce el área transversal original de la muestra, puede calcularse el esfuerzo desarrollado a cualquier carga. La deformación o alargamiento se mide en una longitud establecida, generalmente 2 pulg, por un disco medidor  llamado extensómetro.

Cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza externa que tiende a cambiar su forma o tamaño, el cuerpo se resiste a esa fuerza. La resistencia interna del cuerpo se conoce como esfuerzo (stress) y los cambios en las dimensiones del cuerpo que la acompañan se llaman deformaciones o alargamientos (strain). 

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La deformación unitaria puede determinarse dividiendo el alargamiento medido entre la longitud original marcada en la probeta. En algunos casos, puede utilizarse un medidor eléctrico de la deformación para medir la deformación total.

Probetas

Principio del ensayo

Curva esfuerzo-deformación

Deformación elástica Cuando se retir a l a f uerz a, los enl ac es retornan a su longit ud original y l a probet a v uelve a su t amaño ini c ia   l 

Deformación plástica Cuando se inc rement a el esfuerzo,   l as dislocac iones empiez an a prod uc irse, ocurre el desliz amiento y el materi al  empiez a a deformarse plásti camente.

Tipos de curvas

Materiales dúctiles y materiales frágiles 

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Los materiales dúctiles exhiben una curva esfuerzo-deformación que llega a su máximo en el punto de resistencia a la tensión. En materiales más frágiles, la carga máxima o resistencia a la tensión ocurre en el punto de falla. En materiales extremadamente frágiles, como cerámicos, el esfuerzo de fluencia, la resistencia a la tensión y el esfuerzo de ruptura son iguales

PropiedadesTensiles 

Límite

proporcional (Proportional limit):. Esfuerzo en el límite del punto de

proporcionalidad P (Intervalo donde el esfuerzo y la deformación son proporcionales entre sí ³Ley de Hooke´) . 

Punto o límite de cedencia o fluencia (Yield point): Esfuerzo al cual el material

continúa deformándose sin que haya incremento de la carga, punto Y de la figura. Este fenómeno ocurre sólo en ciertos materiales dúctiles. Constituye un valor muy importante de considerar en el diseño de muchas partes para maquinaria cuya utilidad se afectaría si ocurriera una gran deformación permanente. Esto es válido sólo para materiales que exhiban un punto de cedencia bien definido. 

Resistencia

a la cedencia o fluencia (Yield strenght): La mayoría de los

materiales no ferrosos y los aceros de alta resistencia no tienen un punto de cedencia definido. Para estos materiales, la máxima resistencia útil corresponde a la resistencia de cedencia, que es el esfuerzo al cual un material exhibe una desviación limitante especificada de la proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación (por lo general a 0.10 y 0.20% de la longitud calibrada).

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Resistencia

límite: o la resistencia a la tensión es el esfuerzo máximo

desarrollado por el material (punto M). Un material frágil se rompe cuando es llevado hasta la resistencia límite, en tanto que el material dúctil continuará alargándose. 

Resistencia

a la ruptura: Para un material dúctil, hasta el punto de

resistencia límite, la deformación es uniforme a lo largo de la longitud de la barra. Al esfuerzo máximo, la muestra experimenta una deformación localizada o formación de cuello y la carga diminuye conforme el área decrece. Esta elongación en forma de cuello es una deformación no uniforme y ocurre rápidamente hasta el punto en que el material falla. La resistencia a la ruptura (punto B), es siempre menor que la resistencia límite. Para un material frágil, la resistencia límite y la resistencia de ruptura coinciden.

Ver

detalle

Tipos de fractura

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Módulo

de

la

elasticidad

o

módulo de Young: El módulo de

elasticidad, indicación de la rigidez  de un material, se mide en GPa (GN/m2); Por ejemplo, el módulo de elasticidad del acero es 207 GPa aproximadamente, en tanto que el del aluminio es 69 GPa. Por ende, el acero es aproximadamente tres veces más rígido que el aluminio. El módulo de elasticidad es una propiedad muy útil de la Ingeniería y aparecerá en fórmulas relacionadas con el diseño de vigas y columnas, en las que la rigidez es importante.

 psi=

libras  por  pulgada cuadrada

La ductilidad de un material se determinará a partir de la cantidad de deformación que le es posible soportar hasta que se fractura. Ésta se determina en una prueba de tensión mediante dos mediciones:

 Ductilidad:



Al arg amiento:

Se determina juntando, después de la fractura, las partes de la muestra y midiendo la distancia entre las marcas puestas en la muestra antes de la prueba,

donde Lf= longitud de la medida final, Lo= longitud de la medida original, generalmente 2 pulg.



R ed ucc ión

en área: Ésta también se determina a partir de las mitades

rotas de la muestra bajo la tensión, midiendo para ello el área transversal mínima y con la fórmula:

donde  Ao= área transversal original  Af= área transversal final

Energía absorbida en el campo elástico. Área bajo la curva en el intervalo elástico. Medida de la energía por unidad de volumen que puede absorber un material sin sufrir deformación permanente y que, por tanto, libera al retirar la carga (Resiliencia = módulo de recuperación).

 Resiliencia:

Energía absorbida en el campo plástico. Capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente antes de fracturarse. Área bajo la totalidad de la curva esfuerzodeformación en el ensayo de tracción. Ésta es principalmente una propiedad del intervalo plástico, ya que sólo una pequeña parte de la energía total absorbida es energía elástica que puede recuperarse cuando se suprime el esfuerzo.

 Tenacidad:

Influencia de la Temperatura 

El esfuerzo de fluencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad disminuyen a temperaturas elevadas, en tanto que la ductilidad, como medida del grado de deformación en la fractura, comúnmente se incrementa. A un fabricante que realiza tr abajado en caliente le conviene utilizar materiales que se deformen a alta temperatura, para aprovechar la mayor ductilidad y el menor esfuerzo requeridos.

Ensayos de dureza 

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La dureza no es una propiedad fundamental de un material, sino que está relacionada con las propiedades elásticas y plásticas. El valor de dureza obtenido en una prueba determinada sirve sólo como comparación entre materiales o tratamientos. El procedimiento de prueba y la preparación de la muestra suelen ser  sencillos y los resultados pueden utilizarse para estimar otras propiedades mecánicas. La prueba de dureza se utiliza ampliamente para inspección y control. El tratamiento térmico o el trabajo efectuado en una pieza metálica resulta generalmente en un cambio de dureza. Cuando se establece el valor  resultante de la dureza de un tratamiento térmico a un material dado por un proceso determinado, esa estimación proporcionará un método rápido y sencillo (de inspección y control) para el material y proceso particulares.

Tipos de Dureza Dureza elástica  Resistencia al corte o abrasión  Resistencia a la indentación 

Dureza 

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Elástica

Se mide mediante un escleroscopio, que es un dispositivo para medir la altura de rebote de un pequeño martillo con emboquillado de diamante, después de que cae por su propio peso desde una altura definida sobre la superficie de la pieza a prueba. Cuando el martillo es elevado a su posición inicial, tiene cierta cantidad de energía potencial. Cuando es liberada, esta energía se convierte en energía cinética hasta que golpea la superficie de la pieza a prueba. Alguna energía se absorbe al formar la impresión, y el resto regresa al martillo al rebotar  éste. La altura de rebote se indica por un número sobre una escala arbitraria tal que cuanto mayor  sea el rebote, mayor será el número y la pieza a prueba será más dura. Esta prueba es realmente una medida de la resistencia del material, o sea, la energía que puede absorber en el intervalo elástico.

Disco autoindicador 

Resistencia 

al corte o abrasión

Prueba de rayadura

Esta prueba la ideó Friedrich Mohs. La escala consta de diez minerales estándar arreglados siguiendo un orden de incremento de dureza. El talco es el 1, el yeso el 2, etc., hasta el 9 para el corindón y el 10 para el diamante. Si un material desconocido es rayado apreciablemente por el 6 y no por el 5, el valor de dureza está entre 5 y 6. Esta prueba no se ha utilizado mucho en Metalurgia, pero aún se emplea en Mineralogía. ± 

Prueba o ensayo de lima.

La pieza a prueba se somete a la acción de corte de una lima de dureza conocida, para determinar si se produce un corte visible. Las pruebas comparativas con una lima dependen del tamaño, forma y dureza de la lima, de la velocidad, presión y ángulo de limado durante la prueba, y de la composición y tratamiento térmico del material a prueba. La prueba generalmente se emplea en la industria como aceptación o rechazo de una pieza.

Resistencia 

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a la indentación.

Esta prueba generalmente se utiliza imprimiendo en la muestra (en reposo sobre una plataforma rígida) un marcador o indentador de geometría determinada, bajo una carga estática conocida que se aplique directamente o por medio de un sistema de palanca. Dependiendo del sistema de prueba, la dureza se expresa por un número inversamente proporcional a la profundidad de la indentación para una carga y marcador especificados, o proporcionales a una carga media sobre el área de mella. Los métodos más comunes para pruebas de dureza por indentación son. 

Prueba o ensayo de dureza Brinell

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Prueba o ensayo de dureza Rockwell.

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Prueba o ensayo de dureza Vickers

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Prueba o ensayo de microdureza.

Ensayo de dureza Brinell 

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El probador de dureza Brinell generalmente consta de una prensa hidráulica vertical de operación manual, diseñada para forzar un marcador  de bola dentro de la muestra. Procedimiento estándar  bola de 10 mm de diámetro, carga de 3000 kg por 10 seg para metales ferrosos y 500 kg por 30 seg. para metales no ferrosos. El diámetro de la impresión producida es medido por medio de un microscopio que contiene una escala ocular, generalmente graduada en décimos de milímetro, que permite estimaciones de hasta casi 0.05 mm. El número de dureza Brinell (HB) se calcula mediante la fórmula:

donde: L = carga de prueba, kg D = diámetro de la bola, mm d = diámetro de la impresión, mm

Ensayo de dureza Vickers 

Utiliza un marcador piramidal de diamante de base cuadrada con un ángulo incluido de 136°.

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El intervalo de carga está generalmente entre 1 y 120 kg.

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Los números se expresan en términos de carga y área de la impresión.

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La impresión sobre la superficie de la muestra será un cuadrado. La longitud de la diagonal del cuadrado es medida por medio de un microscopio equipado con un micrómetro ocular que contiene filos móviles. La distancia entre los filos se indica en un contador calibrado en milésimas de milímetros. El número de dureza piramidal Vickers (HV) se calcula por :

donde: L = carga aplicada, en kg d = longitud de la diagonal del cuadrado de la impresión, en mm.

Ensayo de dureza Rockwell. 

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En esta prueba de dureza se utiliza un instrumento de lectura directa basado en el principio de medición de profundidad diferencial. La prueba se lleva a cabo al elevar la muestra lentamente contra el marcador hasta que se ha aplicado una carga determinada menor. Luego se aplica la carga mayor a través de un sistema de palanca de carga. Después de que la aguja del disco llega al reposo, el número de dureza Rockwell es leído en el disco medidor. Una impresión poco profunda en un material duro dará un número grande en tanto que una impresión profunda en un material blando dará un número pequeño.

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Pueden utilizarse diversos marcadores de muescas y cargas y cada combinación determina una escala Rockwell específica. Los marcadores de muescas incluyen bolas de acero duras de 1/16, 1/8, 1/4 y 1/2 de pulgada de diámetro y un marcador cónico de diamante de 120°. Generalmente las cargas mayores son de 60,100 y 150 kg. Debido a las muchas escalas Rockwell, el número de dureza debe especificarse mediante el símbolo HR seguido de la letra que designa la escala y precedido de los números de dureza; por ejemplo, 82 HRB significa una dureza de Rockwell de 82 medida en la escala B (bola de 1/16 de pulg y 100 kg de carga).

Ensayo de microdureza 

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Desafortunadamente, este término es engañoso ya que podría referirse a la prueba de pequeños valores de dureza cuando que en realidad significa el uso de impresiones pequeñas. Las cargas de prueba están entre 1 y 1000 g. Generalmente se emplea la pirámide de diamante Vickers de base cuadrada de 136°, descrita anteriormente.

Ensayo de impacto 

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Durante la Segunda Guerra Mundial se puso especial atención a la Fractura Frágil de los buques fabricados por soldadura, Liberty y de los T-2 Tankers. Algunos de estos buques se fracturaron completamente en dos. La mayoría de las fracturas tuvieron lugar en invierno, a veces con mar picado y a veces anclados en el muelle. Estas y otras fallas catastróficas (recipientes a presión, gasoductos, puentes) pusieron en evidencia que aceros normalmente dúctiles en el ensayo de tracción se tornan frágiles bajo ciertas condiciones. Los tres factores que contribuyen al cambio de comportamiento de dúctil a frágil son: 1) Estado Triaxial de Tensiones, 2) Velocidad de aplicación de la Carga elevada, 3) Bajas Temperaturas

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No es necesario que estos tres factores estén presentes al mismo tiempo para producir  comportamiento Frágil. Se utilizan varios tipos de ensayos de impacto con probeta entallada y a baja Temperatura, para determinar la tendencia de un material a comportarse de manera frágil. Estos ensayos detectan diferencias de comportamiento de los materiales que no se observan con el ensayo de tracción.

Aunque la tenacidad de un material puede obtenerse calculando el área bajo el diagrama esfuerzo deformación, la prueba de impacto indicará la tenacidad relativa. Por lo general, para las pruebas de impacto se utilizan muestras tipo muesca . Dos tipos de muesca de tipo general se utilizan en pruebas de flexión por impacto: la muesca ojo de cerradura y la muesca en V. Asimismo, se utilizan dos tipos ensayo, Charpy y el Izod 

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La muestra Charpy se coloca en un tornillo de banco de manera semejante a una viga sencilla soportada en ambos extremos, en tanto que la muestra Izod se coloca en el tornillo de banco de modo que un extremo quede libre y sea por tanto una viga en voladizo

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La máquina de impacto ordinaria tiene un péndulo oscilante de peso fijo que es elevado a una altura estándar, dependiendo del tipo de muestra que se pretende probar. A esa altura, con referencia al tornillo del banco, el péndulo tiene una cantidad definida de energía potencial. Cuando el péndulo se libera, esta energía se convierte en energía cinética hasta que golpea a la muestra. La muestra Charpy se golpeará atrás de la muesca en V, en tanto que la muestra Izod, colocada con la muestra en V de cara al péndulo, se golpeará arriba de la muesca en V. En cualquier caso, una parte de la energía del péndulo se utilizará para romper la muestra, provocando que el péndulo se eleve en el lado opuesto de la máquina a una altura menor que aquella con que inició su movimiento desde ese mismo lado de la máquina. El peso del péndulo multiplicado por la diferencia de alturas indicará la energía absorbida por la muestra, o sea la resistencia al impacto de la muestra con muesca.

Influencia de la temperatura

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A temperaturas altas, se requiere una gran absorción de energía para que se rompa la probeta, y se fractura con poca energía absorbida, a temperaturas bajas.

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A temperaturas elevadas el material se comporta de manera dúctil, con gran deformación y estiramiento de la probeta antes de fracturarse. A temperaturas bajas, el material es frágil y se observa poca deformación en el punto de fractura. La tem peratura de transición es aquella a la cual el material cambia de presentar una fractura dúctil a una frágil. Un material que vaya a estar sometido a impacto durante su funcionamiento debe tener una temperatura de transición inferior a la temperatura de operación.