Tecnología de los Materiales - Resumen de la Cátedra

PROPIEDADES MECANICAS

Estados de agregación de la materia: gas, líquido y sólido. La diferencia entre ellos está dada por sus fuerzas interatómicas de cohesión. En los gases esta fuerza no existe, y los átomos tratan de ocupar el mayor volumen posible. En los líquidos estas fuerzas tienen una cierta magnitud, y en los sólidos los átomos quedan fijados a distancias perfectamente definidas.

TENSIONES Y DEFORMACIONES

Cuando sobre un cuerpo sólido no actúan fuerzas exteriores, éste se mantiene en equilibrio. Al actuar fuerzas exteriores, el cuerpo tiende a oponerse al efecto de las mismas por un sistema de fuerzas interiores que llamamos tensiones. Cuando se supera la tensión máxima del material se producirá la rotura. Llamamos tensión normal (σ) a la relación: σ = P/S (Kg/cm2). Si la sección es constante, la tensión tendrá el mismo valor en cualquier punto.

Si tenemos secciones angulares, la fuerza ejercida se descompone por la regla del paralelogramo en las componentes Pn y Pt, que son dos tipos de tensiones: Tensión normal σ= Pn / s y Tensión Tangencial τ= Pt / s. Los sólidos pueden resistir tensiones normales y tangenciales, Los líquidos sólo tensiones normales.

SOLICITACIONES

1. Tracción: Fuerzas axiales normales actuantes en las caras superior e inferior que originan tensiones en el interior del cuerpo y en cualquier sección. La tensión originada se puede calcular como: σ = P/S (Kg/cm2). Esta fórmula es válida para piezas rectas de sección constante, y no puede aplicarse cuando el material tiene orificios, cambios de sección o discontinuidades, debido a la concentración de tensiones.

La consecuencia de la aplicación de estas fuerzas da como resultado las deformaciones de alargamiento, estas deformaciones se pueden medir mediante extensómetros y pueden ser de dos tipos: Elásticas y Plásticas. Las deformaciones elásticas desaparecen cuando se retira la carga exterior, y las plásticas permanecen aún retirada la carga exterior.

1. Compresión: Similar al anterior, pero las fuerzas exteriores actúan apretando la pieza y provocando deformaciones que acorten su largo. Las tensiones se pueden calcular como σ = P/S (Kg/cm2). Para diferenciar la tracción de la compresión, a la primera se le coloca un signo positivo (+) y a la segunda un signo negativo (-).
2. Flexión: Por medio de una fuerza normal que actúa en el centro de una pieza apoyada sobre dos puntos opuestos, tiende a producir una deformación.

Para una sección vertical en el centro del cuerpo donde actúa la carga, en la cara superior se produce una tensión de compresión (-) y en la parte inferior una tensión de tracción (+), que valen: σ=Mf / W; Mf= P · l/4, siendo l la distancia entre apoyos y W el momento resistente que depende de la sección. La deformación producida forma una curvatura, donde el descenso en el centro de la pieza se llama flecha, y se mide con flexómetros.

1. Torsión: Pares de fuerzas sobre los ejes de la sección transversal de una pieza, produciendo el giro de la misma. La tensión en el borde de la pieza es máxima y en el centro es nula, y vale: τ= Mt/W, donde Mt es el Momento torsor. La deformación producida en la pieza es un alabeo, y produce en esa sección un giro, cuyo ángulo puede medirse por medio de un goniómetro.
2. Corte: Fuerzas exteriores actúan sobre una pieza en el plano de la sección perpendicular al eje de la misma. Su tensión se calcula por medio de τ = P/S (Kg/cm2).

DEFORMACIONES

La consecuencia de la acción de las tensiones son deformaciones que pueden ser elásticas o plásticas. Llamamos deformación elástica a aquella que desaparece al desaparecer la fuerza que la produjo, y deformación plástica o permanente a aquella que permanece aun cuando la acción que la produjo ha desaparecido.

Las deformaciones elásticas se producen por tensiones normales, porque tratan de alejar o acercar entre sí a los planos cristalográficos. Cuando esta tensión desaparece, las fuerzas internas hacen que esos planos vuelvan a su posición primitiva. En cambio, las tensiones tangenciales tratan de producir el deslizamiento de los planos. Las fuerzas internas de los sólidos se oponen al deslizamiento, pero una vez que esas fuerzas son vencidas, el deslizamiento se produce y es irreversible. Estas tensiones tangenciales producen en los sólidos las deformaciones plásticas.

Cuando un sólido admite deformaciones plásticas es dúctil y cuando no admite deformación plástica es frágil. Los materiales frágiles son aquellos en los que la resistencia a la tensión tangencial es mayor que la fuerza de cohesión, por lo que rompen sin deformación plástica. En cambio, los materiales dúctiles son aquellos en los que la resistencia a la tensión tangencial es menor que la fuerza de cohesión. Ductilidad y fragilidad están directamente relacionados a la capacidad de deformarse o no plásticamente.

Tenacidad: Capacidad de los materiales de absorber energía o trabajo antes de la rotura. Un material es más tenaz cuanta más cantidad de trabajo se necesita para deformarlo. Si no hay deformación plástica no hay tenacidad. Un sólido puede ser muy dúctil y no ser tenaz. Por lo tanto, los materiales frágiles no tienen tenacidad y los materiales dúctiles pueden ser o no tenaces.

DIAGRAMA DE TENSIÓN-DEFORMACION

En un sistema de coordenadas, colocamos en las ordenadas la tensión σ = P/S y en las abscisas la deformación específica ε = Δl / l0 obtenemos diferentes curvas dependiendo del material:

[pic 1]

Y la ley de Hooke expresa: E = σ / ε, lo que determina una proporcionalidad entre tensión y deformación, significa que a incrementos de tensión corresponden incrementos de deformación. Se define a E como módulo de Elasticidad, que es la tangente del ángulo formado por la pendiente de la recta. Cada material tiene su propio módulo E. En na barra de acero, la parte inicial del diagrama es una recta que llega al punto donde se inicia una curva, este es el punto límite de proporcionalidad.

Límite de Elasticidad: Es la mayor tensión que un material es capaz de desarrollar sin que aparezca la deformación permanente al retirar la carga. Estos límites están muy próximos, pero cerca del límite de proporcionalidad puede seguir siendo elástico. 

Rigidez: Está dada por el módulo de elasticidad, y cuanto más alto es el valor de E, mayor resistente a la deformación será el material.

Resiliencia: Es la cantidad de trabajo que se entrega al material cuando se lo carga hasta el límite de elasticidad. Indica la capacidad del material de absorber energía en el período elástico.

Ley de Homología: Si en el diagrama hay un escalón de fluencia y una prolongación de deformaciones luego de la carga máxima, el material es dúctil. Cuando el material se rompe con deformaciones sólo en el periodo elástico y el diagrama es una recta, es frágil.

Ductilidad: Es la capacidad de deformarse que experimenta un material antes de romperse. Cuanto mayor sea la deformación más dúctil será. L ductilidad se indica en el diagrama con la distancia sobre el eje de las abscisas hasta la rotura. Para definir numéricamente esta propiedad utilizamos el término ρ que representa el alargamiento porcentual de rotura, que viene dado por la expresión:

[pic 2]

METALES

Son los elementos cuyos átomos tienen tendencia a perder electrones periféricos y formar óxidos. El 80% de los elementos de la tabla periódica son metales. Casi todos los metales se encuentran a temperatura ambiente en estado sólido. Sus características son su brillo, elevada conductibilidad eléctrica y térmica, gran resistencia mecánica y gran capacidad de deformarse sin romperse. Estas dos propiedades se deben al enlace atómico, distinto al de los demás sólidos, que se denomina enlace metálico.

Los electrones (-) tienen carga negativa y se mantienen en órbita alrededor del núcleo por su atracción electromagnética hacia los protones (+) de carga positiva que junto a los neutrones forman el núcleo del átomo. La libertad de los electrones es la causa del comportamiento plástico de los metales. Si actúa una carga externa, al desaparecer ésta, los electrones tratan de recuperar el estado inicial, dando lugar al comportamiento elástico de los metales. En la naturaleza muy pocos metales se encuentran puros, a excepción del oro, ya que aparecen combinados con otros elementos como oxígeno, carbono, azufre, etc., en forma de minerales.

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