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PropiedadesPropiedades yy EnsayosEnsayosMecMecáánicosnicos
Referidos a las diversas formas en que los materiales responden frente a la aplicación de FUERZAS O CARGAS sobre ellos. Estas
respuestas pueden ir desde la deformación elástica, a la deformación plástica y a la
fractura, dependiendo de la naturaleza del material, de la intensidad de la fuerza y de
las condiciones en que ésta es aplicada.
Efecto de fuerzas externasEfecto de fuerzas externasConceptos de esfuerzo y Conceptos de esfuerzo y deformacideformacióónn
Si el input es una fuerza, el output es un desplazamiento deformación (si no hay fractura…)
Si el input es un diferencial de temperatura, el output es un desplazamiento (dilatación)
Componente (geometría, dimensiones)
Material (propiedades)
Input Output
Medio ambiente
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¿¿CCóómo visualizamos la relacimo visualizamos la relacióón entre el n entre el inputinput y y la geometrla geometríía?a?A travA travéés del concepto de ESFUERZOs del concepto de ESFUERZO::
Se define como la fuerza (aplicada) dividida por Se define como la fuerza (aplicada) dividida por el el áárea de la seccirea de la seccióón recta sobre la cual actn recta sobre la cual actúúa.a.
F
A σ = F / A
Ejemplos de esfuerzosEjemplos de esfuerzos
Tensión uniaxial (tracción)
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Esfuerzos en FlexiEsfuerzos en FlexióónnDeflexiDeflexióón eln eláásticastica
Esfuerzo mEsfuerzo mááximoximo
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34F LE b a
d ×=× × ×
m 2
32áx
F Lb a
s ×=× ×
b
a (espesor)
L
F
E: Módulo elástico material
b
a
DeformaciDeformacióónn––ElEláástica.stica.--PlPláásticastica..Fractura.Fractura.--FrFráágil.gil.--DDúúctilctil..DesgasteDesgaste..
MaterialMaterialDiseDiseñño:o:--FormaForma--TamaTamaññoo--DefectosDefectos
TipoTipoIntensidadIntensidadVelocidadVelocidadRepetitividadRepetitividadLocalizaciLocalizacióónnCombinaciCombinacióónn--Temperatura Temperatura --AmbienteAmbiente
ConsecuenciasConsecuenciasComponenteComponenteEsfuerzo Esfuerzo AplicadoAplicado
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Variedad en los esfuerzosVariedad en los esfuerzos
Según tipo:• normal/corte• tensión/compresión• uni/multi axial
Según Origen:•Externo.•Interno.
SegSegúún n Velocidad::••EstEstáático.tico.••DinDináámico: mico:
Impacto.Impacto.
CCííclico.clico.
MMóódulos dulos ingenierilesingenierilesMMóódulo de elasticidad o mdulo de elasticidad o móódulo dulo
de de YoungYoung, E. , E. εε = = σσ/E/E
MMóódulo de dulo de PoissonPoisson, , ν ν ν = ν = −−εεyy/ε/εxx
MMóódulo de corte, G dulo de corte, G γγ = = ττ/G/G
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Ensayos mecEnsayos mecáánicosnicos
TracciTraccióón/Compresin/CompresióónnDurezaDurezaTermofluenciaTermofluencia ((creepcreep))Impacto.Impacto.Fractura rFractura ráápidapidaFractura por FatigaFractura por Fatiga
El ensayo de tracciEl ensayo de traccióónn
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Probeta tProbeta tíípica de ensayopica de ensayo
Lo
Curva de TracciCurva de Traccióón: n: AleacionAleacion de Aluminiode Aluminio
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Curva Esfuerzo-Deformación Ingenierilσ
ε
ysσ
UTSmax =σ
Deformación Elástica (reversible)
DeformaciDeformacióón Pln Pláástica (irreversible)stica (irreversible)
fractura
maxf ε=ε
ε=σ E
uε
ParParáámetros Importantesmetros Importantes
E Modulo de elasticidad, da la nociModulo de elasticidad, da la nocióón n de rigidezde rigidez
σys Esfuerzo de fluencia, da la nociEsfuerzo de fluencia, da la nocióón de n de resistencia mecresistencia mecáánica (rango elnica (rango eláástico)stico)
σm Esfuerzo mEsfuerzo mááximo, o UTS, es la ximo, o UTS, es la resistencia mresistencia mááxima del material antes xima del material antes de rupturade ruptura
εf DeformaciDeformacióón a la ruptura, da la idea n a la ruptura, da la idea de ductilidadde ductilidad
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RelaciRelacióón entre el modulo de elasticidad y la n entre el modulo de elasticidad y la temperatura de fusitemperatura de fusióón de los metalesn de los metales
58.53410W43.42610Mo30.01538Fe29.91453Ni18.11085Cu11.31064Au10.3962Ag10.0660Al6.6650Mg2.0327Pb
Módulo ElásticoX106 (psi)
Temperaturade fusión (ºC)
Metal
0
10
20
30
40
50
60
70
0 1000 2000 3000 4000T [ºC]
E [Mpsi]
10
10-3
10-2
10-1
100
101
102
103Diamante WC, SiCAl2O3
Cemento Silica
Concreto Grafito Hielo
Tungsteno Cromo, NiquelAcero+Hierro
Cobre Titanio Aluminio Plomo Alkyds
MelamidasPoliestileno
Nylon Epoxicos
Alta densidad Polietileno
Baja densidad
Polipropileno
Gomas
PVC
Espumas
CermetsCFRP’s
Fibra de vidrio GFRP’s
Madera //
Madera ⊥Módulo deYoung (GPa)
Tabla comparativa de MTabla comparativa de Móódulosdulos
16Plomo (Pb)
70Aluminio (Al)
120Titanio (Ti)
130Cobre (Cu)
210Hierro (Fe) (y aceros)
411Tungsteno (W)
E, GPaMaterial
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Efecto de la temperatura
Esfuerzo de Fluencia
El esfuerzo de fluencia σys es el esfuerzo en que se inicia la deformación no recuperable (plástica). Es, por tanto, el límite entre el comportamiento puramente elástico y otro en el que la deformación se compone de dos partes, una elástica y otra plástica.
La gran mayoría de los componentes que prestan algún tipo de servicio, deben hacerlo en el rango elástico. Para esto se selecciona un material que tenga un alto punto de fluencia y/o se dimensiona para que la fuerza aplicada no produzca deformación plástica.
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Formas del fenómeno de fluenciaFluencia ContinuaFluencia Continua Fluencia DiscontinuaFluencia Discontinua
Esfuerzo mEsfuerzo mááximo, o UTSximo, o UTS
Es el mEs el mááximo valor del esfuerzo en ximo valor del esfuerzo en un ensayo de tracciun ensayo de traccióón n uniaxialuniaxial, bajo , bajo una condiciuna condicióón de deformacin de deformacióón n uniforme (hasta que se produce la uniforme (hasta que se produce la estricciestriccióón)n)Al igual que el esfuerzo de fluencia, Al igual que el esfuerzo de fluencia, el UTS es un parel UTS es un paráámetro fundamental metro fundamental en diseen diseñño o
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Esfuerzo admisibleEsfuerzo admisible
Valor arbitrario que garantiza Valor arbitrario que garantiza producir sproducir sóólolo deformaciones deformaciones eleláásticas en un componente (sin sticas en un componente (sin elevadores de tensiones!!)elevadores de tensiones!!)EstEstáá referido a los valores de referido a los valores de fluencia y mfluencia y mááximo de un materialximo de un materialσσadad = = σσysys//αα óó σσadad = UTS/= UTS/ββ
Valores de Valores de σσysys, UTS, , UTS, εεff
3950SiC (fibras)
37520Polietileno
11578470Al 7075 – T6
20476303Al 2024 – T4
14141313784142, T&R, 450 ºC
11175715844142, T&R, 370 ºC
8224016884142, T&R, 205 ºC
6245016204142, T
36440260Acero 1020, laminado
εf %UTS, MPa
σys, MPaMaterial
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10-1
100
101
102
103
104
105
Diamante
SiC
Al2O3 WC TiC ZrCMgO
Alcalis
Haluros
Hielo
Acero baja Aleación Aleaciones Cobalto AceroInoxidableAleaciones Cobre
Aleaciones Aluminio
Metales puros comerciales
Aleaciones Plomo
Metales ultra puro
Kevlar
Nylon Epoxicos
Poliuretano Polietileno
Gomas
BFRP CFRP
Cemento Reforzado
GFRP’s
Madera //
Madera ⊥
Cemento (no
reforzado)
Esfuerzo de fluencia (MPa)
Efecto del tratamiento tEfecto del tratamiento téérmico en Acerosrmico en Aceros
Templados y Revenidos
σ
ε
Aceros Templados
Acero Recocido
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Endurecimiento por deformaciEndurecimiento por deformacióónn
ε1
σys
σ1=ε1 e
ε pε+
e1 E ε⋅=σ
pdd
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
εσ Endurecimiento
pordeformación
pεe
ε
Efecto de la temperatura
T ambienteσ
ε
T elevada
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Formación de estricción
LL ∆+L
σ
σσ >local σεσ =
dd
σMaterial más
Resistente (end.Por deformación)
Nuevo σf
Si σ local < nuevo σf DeformacUniforme
Si σ local > Nuevo σf Inicio de la DeformacLocalizada
Resiliencia
Energía que puede almacenar elmaterial hasta el comienzo de la
deformación plástica.
Resiliencia=σf2/2E
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Tenacidad
Vinculada al área bajo la curva esfuerzo- deformación total. Da la idea de cuánta energía se requiere (por unidad de volumen) para deformar un material hasta la ruptura.
Ensayo de Dureza
El ensayo de dureza mide la resistencia a la penetración sobre la superficie de un material efectuada por un objeto duro, los ensayos mas comúnmente utilizados son el ensayo Rockwell , Brinell y Vickers
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Ensayo Dureza (Carga Puntual)Ensayo Dureza (Carga Puntual)
P
Indentador (material duro)
Probeta
α −1 Dureza
Escalas de DurezaEscalas de Dureza
VickersVickersIndentador: PirIndentador: Piráámide de Diamante (rango mide de Diamante (rango amplio)amplio)
RockwelRockwelIndentadorIndentador: : --Cono de Diamante (Escala C)Cono de Diamante (Escala C)
--Esfera de Acero (Escala B)Esfera de Acero (Escala B)-- Otras escalasOtras escalas
BrinellBrinellIndentador esfera de acero / CarburoIndentador esfera de acero / Carburo
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TermofluenciaTermofluencia ((CreepCreep))
σ
ε
t
A bajas A bajas TT°°t
ε
σ
A A TT°° altasaltas
Curva tCurva tíípica (material, P, T)pica (material, P, T)
•
= ssdtd
εε
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−•
⋅⋅= RTQ
nss eA σε
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Efecto de la TemperaturaEfecto de la Temperatura
Curvas esfuerzoCurvas esfuerzo--tiempo de rupturatiempo de ruptura