Propiedades De Los Materiales

1. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES

Muchos materiales cuando están en servicio están sujetos a fuerzas o cargas. En tales condiciones es necesario conocer las características del material para diseñar el instrumento donde va a usarse de tal forma que los esfuerzos a los que vaya a estar sometido no sean excesivos y el material no se fracture. El comportamiento mecánico de un material es el reflejo de la relación entre su respuesta o deformación ante una fuerza o carga aplicada. Hay tres formas principales en las cuales podemos aplicar cargas: Tensión, Compresión y Cizalladura. Además en ingeniería muchas cargas son torsionales en lugar de sólo cizalla.

Tipos de fuerzas o cargas aplicadas a los materiales.

a) ilustración esquemática de cómo una fuerza de tensión produce una elongación y una deformación positiva lineal.

b) Las líneas punteadas representan la forma antes de la deformación;

c) las líneas sólidas representan el cuerpo depuse de la deformación.

d) Ilustración esquemática de cómo una carga de compresión produce contracción y deformación lineal negativa.

e) Representación esquemática de esfuerzo de cizalladura

f) Representación esquemática de deformación torsional producida por un torque T.

2. CONCEPTOS DE TENSIÓN Y DEFORMACIÓN

Tensión. Consideremos una varilla cilíndrica de longitud lo y una sección transversal de área Ao sometida a una fuerza de tensión uniaxial F, como se muestra en la figura 2. Figura 2. a) Barra antes de aplicarle la fuerza b) Barra sometida a una fuerza de tensión uniaxial F que alarga la barra de longitud lo a l Por definición, la tensión σ en la barra barra es igual al cociente entre la fuerza de tensión uniaxial media F y la sección transversal original Ao de la barra. F N σ= Ao  m 2   

Deformación o alargamiento: Cuando se aplica a una barra una fuerza de tensión uniaxial, tal como se muestra en la figura 2, se produce una elongación de la varilla en la dirección de la fuerza. Tal desplazamiento se llama deformación. Por definición, la deformación originada por la acción de una fuerza de tensión uniaxial sobre una muestra metálica, es el cociente entre el cambio de longitud de la muestra en la dirección de la fuerza y la longitud original. l − l o ∆l  m  ξ= = lo lo  m    donde: l es la longitud después de la acción de la fuerza lo es la longitud inicial de la pieza Normalmente la deformación se determina mediante el uso de una pequeña longitud, normalmente de 2 pulgadas, que se denomina longitud de calibración, dentro de una muestra más larga, por ejemplo de 8 pulgadas.

3. Como puede deducirse de la fórmula, la deformación es una magnitud adimensional. En la práctica, es común convertir la deformación en un porcentaje de deformación o porcentaje de elongación % deformacion = deformación × 100% = % elongación DEFORMACIÓN ELÁSTICA Y PLÁSTICA Cuando una pieza se somete a una fuerza de tensión uniaxial, se produce una deformación del material. Si el material vuelve a sus dimensiones originales cuando la fuerza cesa se dice que el material ha sufrido una DEFORMACIÓN ELASTICA. El número de deformaciones elásticas en un material es limitado ya que aquí los átomos del material son desplazados de su posición original, pero no hasta el extremo de que tomen nuevas posiciones fijas. Así cuando la fuerza cesa, los átomos vuelven a sus posiciones originales y el material adquiere su forma original. Si el material es deformado hasta el punto que los átomos no pueden recuperar sus posiciones originales, se dice que ha experimentado una DEFORMACIÓN PLASTICA. ENSAYO DE TENSIÓN Y DIAGRAMA DE TENSIÓN DEFORMACIÓN El ensayo de tensión se utiliza para evaluar varias propiedades mecánicas de los materiales que son importantes en el diseño, dentro de las cuales se destaca la resistencia, en particular, de metales y aleaciones. En este ensayo la muestra se deforma usualmente hasta la fractura incrementando gradualmente una tensión que se aplica uniaxialmente a lo largo del eje longitudinal de la muestra. Las muestras normalmente tienen sección transversal circular, aunque también se usan especimenes rectangulares. (Figura 3). Durante la tensión, la deformación se concentra en la región central más estrecha, la cual tiene una sección transversal uniforme a lo largo de su longitud. La muestra se sostiene por sus extremos en la máquina por medio de soportes o mordazas que a su vez someten la muestra a tensión a una velocidad constante. La máquina al mismo tiempo mide la carga aplicada instantáneamente y la elongación resultante (usando un extensiómetro). Un ensayo de tensión normalmente dura pocos minutos y es un ensayo destructivo, ya que la muestra es deformada permanentemente y usualmente fracturada. Figura 3. Muestra típica de sección circular para el ensayo de tensión - deformación

Ensayo tensión – deformación Sobre un papel de registro, se consignan los datos de la fuerza (carga) aplicada a la muestra que está siendo ensayada así como la deformación que se puede obtener a partir de la señal de un extensiómetro. Los datos de la fuerza pueden c onvertirse en datos de tensión y así construirse una gráfica tensión – deformación, como la que se observa en la figura 5. Figura 5. Gráfica típica tensión vs deformación Las propiedades mecánicas que son de importancia en ingeniería y que pueden deducirse del ensayo tensión – deformación son las siguientes:

Módulo de elasticidad 2. Límite elástico a 0.2% 3. Resistencia máxima a la tensión 4. Porcentaje de elongación a la fractura 5. Porcentaje de reducción en el área de fractura 1. Módulo de elasticidad En la primera parte del ensayo de tensión, el material se deforma elásticamente, o sea que si se elimina la carta sobre la muestra, volverá a su longitud inicial. Para metales, la máxima deformación elástica es usualmente menor a un 0.5%. En general, los metales y aleaciones muestran una relación lineal entre la tensión y la deformación en la región elástica en un diagrama tensión – deformación que se describe mediante la ley de Hooke: σ = Eξ σ E= ξ donde, E es el módulo de elasticidad o módulo de Young σ es el esfuerzo o tensión ξ es la deformación El módulo de Young tiene una íntima relación con la fuerza de enlace entre los átomos en un material. Los materiales con un módulo elástico alto son relativamente rígidos y no se deforman fácilmente. Nótese que en la región elástica del diagrama tensión

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