Propiedades de los materiales. Comportamiento mecánico

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES ENSAYADOS

El aspecto y el comportamiento ante diferentes fenómenos forman el conjunto de propiedades de un material, y estudiando estos, podremos conocer sus aplicaciones. La clasificación habitual de las propiedades de los materiales es:

• Propiedades químicas: los que modifican sus propiedades esenciales como su composición.
• Propiedades físicas: asociadas a procesos físicos en los que tienen lugar cambios de estado o de forma, pero no de composición.

• Térmicas ( dependen de la Tº)

Capacidad  Calorífica.

Calor específico: calor necesario para aumentar 1º (          de masa.)

Dilatación térmica: cambio de longitud de un cuerpo con la Tº.

Conductividad térmica: propiedad de trasferir calor.

• Eléctricas:

• Propiedades mecánicas: aquellas que definen el comportamiento de los materiales en condiciones de uso, mecanizado o conformado, es decir, ante la apuración de una fuerza.

PRINCIPALES PROPIEDADES MECÁNICAS

• La elasticidad: capacidad de un material para recuperar su forma una vez que cesó la fuerza que lo deformaba.
• La plasticidad:   capacidad de deformación de los materiales cuando se aplica una fuerza sin llegar a la rotura, y permanece deformado una vez que cesa la fuerza.
• Maleabilidad: capacidad de un material para extenderse en láminas.
• Ductividad: capacidad de un material para convertirse en hilos.
• Resistencia: capacidad de un material para absorver energía externa.
• Resilencia: capacidad de un material para absorver energía cuando es sometido a un esfuerzo de impacto.

• Fragilidad: facilidad para romperse, opuesto  a resilencia.
• Tenacidad: resistencia a la rotura que opone un material sometido a esfuerzos lentos de deformación ( un material dúctil es más tenaz que uno frágil).
• Fatiga: resistencia de un material a ser sometido a esfuerzos inferiores al de rotura y que son cíclicos y repetitivos.
• Colabilidad: facilidad para fluir y rellenar un molde.
• Maquinabilidad: facilidad para ser mecanizado por arranque de viruta.

COMPORTAMIENTO MECÁNICO

Refleja la relación entre la fuerza o carga aplicada y el esfuerzo o deformación producida.

• Carga: es la fuerza externa aplicada sobre el material. Pueden ser estáticas. ( aplicadas de forma uniforme, no varían con el tiempo o lo hacen lentamente ) o dinámicas ( aplicadas a velocidad elevada)

Las cargas pueden aplicarse de 5 formas distintas:

• Esfuerzo: fuerza igual a la carga y de sentido opuesto.
• Tensión: es el esfuerzo por unidad de superficie, sigma:

• Deformación unitaria       : es la relación entre la deformación absoluta (AL) y la longitud inicial    ( Lo)

• Ensayos mecánicos: las propiedades se determinan en el laboratorio realizando ensayos que tratan de reproducir las condiciones a las que va a ser sometido el material.

• Ensayo de tracción: se lleva a cabo en la ‘’máquina universal de ensayos’’, aplicando fuerza de tracción a una probeta sujeta por un extremo a un cabezal móvil.

Se sujeta mediante mordazas y con una célula de carga medimos la fuerza aplicada.

Una forma de obtener la máxima información es representar la tensión (v) frente a la deformación unitaria (    )-

• ZONA O-P

Se cumple la ley de HOOKE el alargamiento es proporcional al esfuerzo, se ajusta a una recta, cuya pendiente es el ‘’módulo de elasticidad’’ ó el ‘’módulo de young’’

En esta zona si cesan las fuerzas, el material recupera su longitud inicial, es elástico. Cuando mayor es el módulo de Young más rígido es el material.

• ZONA P-M

El material deja de ser elástico, es plástico.

Como no existe un valor definido por el cual un material pase de ser elástico a plástico se define el ‘’límite elástico convencional’’ a aquella tensión que provoque un 0.2% de deformación.

Ejemplo: la probeta de 100 cm se estira 0.2% ¿   ?

                    En esta zona llegamos hasta el punto M que es la tensión máxima que soporta la probeta.

• ZONA M-R

Se caracteriza por un adelgazamiento de la probeta, estricción de la zona donde se producirá la rotura, el alargamiento es rápido y las fuerzas que se aplican disminuyen en vez de aumentar.

ECUACIONES

• Módulo de Young.

• Tensión.

• Def. unitaria.

• Resistencia máxima a la tracción.

• % de alargamiento.

• Estricción.

• % de estricción.

UNIDADES

Fuerza en Newtons

Area en m2

1Kg = 9.81N

1MPa= 106 Pa

 1 GPa= 109

Un acero dulce tiene una resistencia a la tracción de 4000 Kg/cm2. ¿ Qué esfuerzo puede admitir una barra de este acero con          = 25 mm, sin que llegue a romperse? Dá la respuesta en Kg/f y N.

Se dispone de un cable de acero de 12 m de longitud y 80 mm2 de sección. Al someterlo a una carga axial de 100 KN, llega a medir 12,078m. CALCULA; a) deformación unitaria. B) el módulo de elasticidad, E del acero.

¿ Qué fuerza en KN tendría que aplicar al cable del ejercicio 2 para alargarlo 35mm?

Una probeta de acero de 2mm de diámetro x , 200 mm de longitud entre dos puntos calibrados está siendo sometida a un esfuerzo de tracción de 5000 Kg/f e incrementa su longitud 0.15mm. Calcula la tensión v , la deformación unitaria      y el módulo de elasticidad E.

El % de alargamiento y el de estricción de un material son parámetros que nos proporcionan una medida de la ductilidad de la deformación plástica que puede sufrir un material antes de romper.

• El Coeficiente de seguridad: cuando se elige un material para una determinada aplicación se debe conocer el limite elástico, ya que si lo deformamos, ya no sería útil. Para ello se usa un coeficiente de seguridad, en, que mide la relación entre la tensión en el límite elástico y la tensión admisible de trabajo.

 EJERCICIO: DETERMINA EL DIAMETRO DE UN CABLE DE ACERO QUE DEBE SOPORTAR 1000 KG, SABIENDO QUE EL LÍMITE ELASTICO DE ESE ACERO ES DE 800 N/MM2 Y SE APLICA UN COEFICIENTE DE SEGURIDAD DE 2.

• Ensayo de Resiliencia: 

Con este ensayo medimos la capacidad de los materiales para soportar golpes. Valoramos la tenacidad, muy importante en piezas que van a estar sometidos a esfuerzos dinámicos.

La unidad de ensayo o la resiliencia, p, que expresa la capacidad que tiene un material de absorver energía cuando es deformado hasta la rotura ( ROTURA OBLIGATORIA)

Con el método ó Pendulo de Charpy golpeamos una probeta que tiene una entalla con un martillo ( habitualmente de 22 Kg) que golpea con una energía de 300J.

Las probetas están normalizadas, teniendo una longitud de 55mm, una entralla en forma de ‘’V’’ ‘’U’’ o ‘’OJO de cerradura’’ y 10 mm de lado.

La lectura se hace de forma directa en el equipo.

Existe otra variante que es el péndulo de IZOD.

Los resultados se expresan de la siguiente forma

• KV= 124 J; energía absoluta con martillo de 300 J, con probeta con entalla tipo ‘’V’’ y absorbe en la rotura 124 J.
• KV 100= 67 J; la energía absorbida con martillo de 100 J fue de 67 J con entalla en U.

ECUACIÓN DE LA ENERGÍA ABSORBIDA:

TEORÍA DE LA FRACTURA:

En los materiales de ingeniería existen dos tipos de fractura, dúctil y frágil. La clasificación está basada en la capacidad del material para experimentar una deformación plástica.

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