2014 ii semana 4
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Ing. Enrique De La Cruz 1
PROPIEDADES MECNICAS - I
Propsito de la sesin de clases:
Conocer las principales Propiedades Mecnicas a partir de larealizacin de Ensayos destructivos, en particular el detraccin, que influyen finalmente en la calidad de losmateriales de ingeniera.
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Introduccin:
Aplicaciones de la relacin: Estructura vs Propiedades
CASO 1.: La estructura de los materiales tiene una influencia profunda en
muchas de sus propiedades, incluso en el caso de que ste no haya
sufrido algn cambio en su composicin general.
Alambre de
cobre puro
Se le dobla en
forma repetida
Qu sucede, s?
Se endurece.
Se vuelve ms frgil
Se vuelve tan duro y tan
frgil que al final se rompe.
entonces, esos cambios en las propiedadesa qu se debe?
Rpta.: a los cambios ocurridos en su ESTRUCTURA INTERNA a una
escala muy pequea o microscpica llamada MICROESTRUCTURA.
PROPIEDADES MECNICAS:PROPIEDADES MECNICAS - I
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pero sabemos que los materiales cermicos por naturaleza NOson conductores de la corriente elctrica, entoncescmo puedeser posible que existan tales materiales?...
Se tuvo que realizar una mezcla con otros materiales, por ejemploformando xidos de itrio, bario y cobre, tal como: YBa2Cu3O7-x,que conducen bien la corriente elctrica a T. muy bajas tales como-123C. Sin embargo hoy en da con el uso de tcnicas adecuadasse les puede trabajar a temperatura an mayores
CASO 2.: Sabias que hoy en da secuenta con SUPERCONDUCTORESCERMICOS. Materiales que conducenla corriente elctrica sin ofrecer algunaresistencia
Introduccin:
Aplicaciones de la relacin: Estructura vs Propiedades
PROPIEDADES MECNICAS:PROPIEDADES MECNICAS - I
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CASO 3.: A qu se debe que no se utilice el cermico Al2O3, porejemplo en los motores de los automviles, en lugar del aluminiometlico?
Rpta.: el xido de aluminio NO resiste las exigencias mecnicasnecesarias a diferencia de las aleaciones de aluminio, esto es,cargas de impacto relativamente severas, por ejemplo, ms bienste es quebradizo.El hecho de ser quebradizotendr que ver con la estructura deestos materiales?...
Introduccin:
Aplicaciones de la relacin: Estructura vs Propiedades
PROPIEDADES MECNICAS:
En trminos generales, s, es importante conocer si ladisposicin espacial de los iones Al+3 y O-2, en nuestrocaso, facilitan que el material sea poroso (huecos ovacos) o compacto. Sin embargo, por ser xido, msinfluye en su fragilidad el tipo de enlace inico que sepresenta.
PROPIEDADES MECNICAS - I
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Si bien el aluminio metlico es ms resistente que suxido, se podra inferir entonces, que todos los metalesson muy resistentes?
Es el caso, por ejemplo, de la comparacin entreel aluminio y el magnesio, cuyas aleacionestienen diferente comportamiento mecnico. Elmagnesio es un material frgil mientras que elaluminio dctil.Aluminio
Magnesio
Si analizamos sus estructuras, el magnesio presentaun empaquetamiento hexagonal mientras que elaluminio, cbico centrado en las caras. Este segundotipo de estructura le facilita que el material seadeformado sin necesidad de romperse con facilidad.
Introduccin:
Aplicaciones de la relacin: Estructura vs Propiedades
PROPIEDADES MECNICAS:
Si bien es cierto que los metales son ms resistentesmecnicamente que los cermicos, hay metales cuya resistenciano es muy buena.
PROPIEDADES MECNICAS - I
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Para comprender las propiedades, o caractersticas
observables de los materiales, es necesario comprender su
estructura ya sea a escala atmica y/o microscpica.James Schackelford
Podemos decir entonces que la ductilidad, comopropiedad de los metales, depende de la facilidadcon que se produce la deformacin mecnicaa escala atmica.
Para el caso del aluminio hay cuatro veces msposibilidades o caminos disponibles para que sedeforme sin llegar a romperse a diferencia de lasaleaciones del magnesio.
Probetas de traccin de aluminio
Si bien el aluminio metlico es ms resistente que suxido, se podra inferir entonces, que todos los metalesson muy resistentes?
Introduccin:
Aplicaciones de la relacin: Estructura vs Propiedades
PROPIEDADES MECNICAS:PROPIEDADES MECNICAS - I
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Ing. Enrique De La Cruz
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PROPIEDADES MECNICAS - I
El conocimiento de las diferentes propiedades que los materiales deingeniera nos ofrece exige que a stos se les someta a una seriede pruebas o Ensayos normalizados segn estndares nacionales ointernacionales.
Los ensayos se clasifican segn la deformacin o destruccin fsicaque se le pueda hacer al material, tenemos:
Ensayos destructivos:
Traccin
Impacto
Fatiga, etc.
Ensayos no destructivos
Tintes penetrantes
Partculas magnticas
Ultrasonido
Rayos X
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Tipos de
esfuerzos
Se estudiarn algunos Ensayos Destructivos cuya finalidad es darnos aconocer las principales Propiedades Mecnicas de ingeniera.
Qu son las Propiedades Mecnicas y cul es su importancia?
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PROPIEDADES MECNICAS - I
Son aquellas que estn relacionadas con el comportamiento del materialcuando se les somete a esfuerzos. Nos permiten medir la resistencia delmaterial a determinados esfuerzos. Los resultados as obtenidos nospermiten saber sobre la calidad de los mismos, aspecto que finalmenteinfluyen en la toma de decisiones.
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PROPIEDADES MECNICAS - I
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Ensayo de dureza
Ensayo de impacto
Ensayo de traccin
Ensayo de flexin
Ensayo de fatiga
Procedimientos normalizados cuyo objetivo es determinar propiedadesy/o caractersticas de los materiales, o tambin determinar el estadoservible de un material que ya trabajo.
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Se coloca una probeta sujetada por dos mordazas, una fija y otra mvil. Se mide la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza mvil. La mquina de ensayo impone la deformacin desplazando el cabezal mvil a unavelocidad seleccionable. La celda de carga, conectada a la mordaza fija, entrega una seal que representa lacarga aplicada.
Composiciones qumicas de los materiales
Propiedades diferentes
Cada material secomportar de distintamanera ante la accinde una fuerza.
Ensayo de Traccin
Es el ensayo destructivoms importante quebrinda al ingeniero uncriterio para la seleccindel material paradeterminada aplicacin.
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ENSAYO DE TRACCIN
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PROBETA:
Dimensiones y forma segnla norma que se utilice. NTP ASTM DIN ASME JIS UNE AISI AFNOR UNI GOST, etc.
ENSAYO DE TRACCIN
De los diferentes materiales deingeniera, no se usa para aquellosque son cermicos, para ellos seutiliza el ensayo de compresin.
La probeta puede ser de cualquiermaterial?
Importante:Se debe garantizar que larotura de la probeta estsiempre dentro de las marcassealadas.
So
Lo
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Con el objeto que en cada ensayo se obtengan resultados comparables, lasdimensiones de las probetas han sido normalizadas.
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A partir de (3), si se sigue aplicando ms esfuerzo, la probeta seva alargando y su seccin transversal(rea) se va reduciendo.
DIAGRAMA FUERZA - ALARGAMIENTO
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El ensayo de Traccin nos permite determinar la curva esfuerzo deformacin de cada material donde podremos determinar suscaractersticas elsticas, plsticas y de tensin que pueda soportar elmaterial.
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DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
F : Cargaaplicada(N)Ao: rea de la seccintransversalde la probetasindeformacin(m2)
AO : Esfuerzo o tensin ingenieril (Pa = N/m2)
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En 1, el material se comporta comoun resorte, es decir, recupera suforma inicial cuando se elimina lacarga aplicada.
En 2, los alargamientos que se producen sonpermanentes, es decir, el material ya no secomporta como un resorte. Cuando se elimina lacarga aplicada, el material mantiene unadeformacin permanente.
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DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
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1. ZONA ELSTICA
Ley de Hooke
= E .
Implica un rango de tensiones para el que se cumple una correlacincuasilineal entre y
Lmite elstico (E)Valor mximo de tensin que puedesoportar un material, manteniendo sucomportamiento elstico.
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DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
Mdulo de elasticidad o de Young (E)Relacin existente entre la tensin aplicaday la deformacin unitaria producida.
E
E = tg E = tg Grficamente, E, es la pendiente de lalnea elstica.
Dicha linealidad es una corroboracin grfica dela ley de Hooke, donde ,E, sera la constante deproporcionalidad.
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1. ZONA ELSTICA
Lmite elstico (E)Valor mximo de tensin que puedesoportar un material, manteniendo sucomportamiento elstico.
DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
Si resultara difcil determinar conprecisin el punto de perdida de lalinealidad (ingreso a la zona plstica),lo que se tiene como convenio esdefinir el E como
Implica un rango de tensiones para el que se cumple una correlacincuasilineal entre y
p0,2
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2. ZONA PLSTICA
Esta zona corresponde a la regin delimitada por tensiones superioresal lmite elstico (E), no existiendo proporcionalidad entre las tensionesaplicadas y las deformaciones producidas.
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DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
M
E
La tensin sigue aumentando hastaalcanzar un valor mximo, denominadoresistencia ltima a la traccin o,simplemente, resistencia a latraccin, M
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2. ZONA PLSTICA
Esta zona corresponde a la regin delimitada por tensiones superioresal lmite elstico (E), no existiendo proporcionalidad entre las tensionesaplicadas y las deformaciones producidas.
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DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
Entre la zona comprendida entre p0,2y M, la resistencia aumenta a medidaque aumenta la deformacin,fenmeno que se conoce comoendurecimiento por deformacin,que se manifiesta en el conformado delmaterial mediante la acritud(deformacin en frio).
M
p0.2
Endurecimiento por deformacin
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Estriccin (Z)Medida de la reduccin de seccin dematerial.
rea bajo la curva de traccinEnerga absorbida durante el ensayode traccin. Es un indicativo de latenacidad del material.
2. ZONA PLSTICA
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DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
Alargamiento a la rotura (A)Deformacin relativa del material hastala rotura.
AO - Af
AO Z =
-
2. ZONA PLSTICA
DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
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Por qu finalmente se rompe
el material?
Se debe a que a partir del punto e
el debilitamiento producido por la
estriccin (contraccin lateral)
supera al aumento de resistencia
de la acritud.
ef
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DIAGRAMA TENSIN REAL DEFORMACIN REAL
Despus de la tensin Mrealmente sta comienza adisminuir?
Rpta.: No, en realidad porconvencin las tensiones han sidocalculadas en referencia de ladimensin inicial de la probeta,F/AoCuando se alcanza la tensin, MLa probeta comienza a sufrir unaestriccin dentro de la longitudcalibrada. La tensin verdadera,M = F/Areal continuaaumentando hasta alcanzar elpunto correspondiente a la rotura.
M
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DIAGRAMA TENSIN REAL DEFORMACIN REAL
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AO
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Ing. Enrique De La Cruz23
Resumiendo
DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
Qu propiedades mecnicas clave se obtienen del Ensayo deTraccin?
1
2
3
5
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1.- Mdulo elstico, E.
2.- Lmite elstico, E = p 0,2
3.- Resistencia a la traccin, R
4.- Ductilidad, 100 x fracturaTener presente que hay una recuperacin elsticaantes de la fractura.
fractura
f
5.- Tenacidad = d que grficamenterepresenta la grfica bajo la O f
Otras propiedades son: Tensin de rotura, fractura, f Alargamiento a la rotura, y Estriccin
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1. ZONA ELSTICA
Importante:
Normalmente, para tener en
cuenta la precisin de los
ensayos se admite como
lmite elstico el esfuerzo al
que corresponde una
deformacin permanente
comprendida entre el 0,001%
y el 0,005%.
DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
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Para cierto tipo de materiales la
fuerza disminuye hasta un valor
determinado por el punto fi,
denominado lmite inferior de
fluencia. Esto es tpico para los
materiales que son relativamente
dctiles tales como el acero, Al y Cu.
2. ZONA PLSTICAHasta un punto fs que se llama
lmite superior de fluencia los
alargamientos son pequeos pero al
llegar a l aumentan
considerablemente sin necesidad de
aumentar la fuerza.
DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
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2. ZONA PLSTICA
Existen otros materiales como la fundicin,
el hormign y el vidrio, para los cuales los
diagramas esfuerzos-deformaciones no
presentan una zona de fluencia
definida, por lo que en estos materiales
se toma convencionalmente como
esfuerzo de fluencia el esfuerzo al que
corresponde una deformacin permanente
igual al 0,2%. En estos materiales
llamados frgiles, la rotura aparece
bruscamente sin previo aviso, lo que es un
grave inconveniente para las estructuras.
Todos los materiales tendrn zona
de fluencia definida?
DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
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Las importantes deformaciones que
experimenta la probeta en la zona de
fluencia, producen a partir del punto d un
aumento de la resistencia del material
conocida por acritud.
2. ZONA PLSTICA
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Esta propiedad hace que sea preciso incrementar de nuevo la carga para
que las deformaciones continen, hasta llegar al punto e en que la carga
alcanza su mximo valor al que corresponde el mximo esfuerzo R, o
esfuerzo de rotura.
DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
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En la regin descrita por la lnea OA, el esfuerzo,, y la deformacin,, sondirectamente proporcionales, se dice entonces que el comportamiento delmaterial es lineal.
Despus del punto A ya no existe esta relacin lineal por lo que el esfuerzo en elpunto A se denomina lmite de proporcionalidad.
Lmite de proporcionalidad
Esfuerzo de fluencia
Regin lineal
Plasticidad perfecta o fluencia
Endurecimiento por deformacin
Estriccin
Tensin de rotura
X
X
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Estriccin
DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
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Unidad 5 Comportamiento Mecnico de los Materiales.
La relacin lineal entre el y la puede expresarse mediante la ecuacin (Ley de Hooke)
= E , donde E es una constante de proporcionalidad conocida como el mdulo deelasticidad del material.
Lmite de proporcionalidad
Esfuerzo de fluencia
Regin lineal
Plasticidad perfecta o fluencia
Endurecimiento por deformacin
Estriccin
Esfuerzo ltimo
El mdulo de elasticidad, E, es la pendiente del diagrama vs en la regin linealmenteelstica, y su valor depende del material particular que se utilice.
X
X
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Tensin de rotura
Estriccin
DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
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Cuando la curva se desva de la recta inicial, el material alcanza el punto de
fluencia, desde aqu el material comienza a adquirir una deformacin permanente. A
partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedara ms larga que al
principio. La Ley de Hooke no se cumple con exactitud y se define que ha comenzado
la zona plstica del ensayo de traccin. El valor lmite entre la zona elstica y la
zona plstica es el punto de fluencia (yield point)
Esfuerzo de fluencia
mx.
Ing. Enrique De La Cruz30
DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
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Unidad 5 Comportamiento Mecnico de los Materiales.
Despus de sufrir las deformaciones en BC, el material muestra un endurecimiento pordeformacin. En este proceso sufre cambios en sus estructuras cristalinas posibilitando unincremento en la resistencia del material.
Lmite de proporcionalidad
Esfuerzo de fluencia
Regin lineal
Plasticidad perfecta o fluencia
Endurecimiento por deformacin
Estriccin
Esfuerzo ltimo
Un alargamiento requiere de un incremento en la carga de tensin, y el diagrama vs tomauna pendiente positiva desde C hasta D.
X
X
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Tensin de rotura
Estriccin
DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA
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Unidad 5 Comportamiento Mecnico de los Materiales.
La carga alcanza su valor mximo y el esfuerzo correspondiente (en el punto D) se denomina
tensin de rotura. De hecho, el alargamiento posterior de la barra se acompaa de una
reduccin en la carga y finalmente se presenta la fractura en un punto X.
Lmite de proporcionalidad
Esfuerzo de fluencia
Regin lineal
Plasticidad perfecta o fluencia
Endurecimiento por deformacin Estri
Esfuerzo ltimo
X
X
Ing. Enrique De La Cruz 32
Tensin de rotura
Estriccin
DIAGRAMA TENSIN DEFORMACIN UNITARIA