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UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERIA GUANAJUATOINGENIERIA GUANAJUATO

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UNIDAD 1 “Ingeniería de los Materiales”

SEMANA 5Propiedades Mecánicas de los Materiales

Contenido

1) Propiedades Mecánicas2) Esfuerzo y Deformación ingenieril3) Dureza4) Curva de esfuerzo-deformación5) Ensayo de Impacto6) Ensayo de Termoenfluencia7) Fractura8) Fatiga

Todas las propiedad mecánica en los materiales describen la forma en que el material responde a una fuerza aplicada. Estas propiedades se manifiestan con características como lo son:

Hay tres tipos de esfuerzos o cargas que pueden ser soportadas por un material:

Esfuerzo y Deformación Ingenieril

Fuerza normal que tira en dirección contraria al cuerpo .

Fuerza resultante, , entre la fuerza F aplicada al cuerpo y la

fuerza interna V.

Fuerza normal que empuja en dirección del cuerpo .

La respuesta que se mide en los ensayos mecánicos son dos: el esfuerzo y la deformación. Para definir estos dos términos, imagine una barra de longitud l0 y con área A0.

Barra antes de aplicar Un esfuerzo de tensión

Ahora considere la aplicación de una fuerza normal de tensión en la barra. La barra se alargara en una dimensión l0.

Se define como Esfuerzo Ingenieril

Mientras que la Deformación Ingenieril

Es el cociente entre el cambio de longitud de la muestra en la dirección de la fuerza y la longitud original.

al cociente entre la fuerza de tensión uniaxial media F y la sección transversal original Ao de la barra.

Una de las propiedades mecánicas de los materiales es la Dureza, esta propiedad se define como la resistencia que un material opone a la penetración y depende de la estructura de éste, de manera que materiales con una estructura compacta y rígida entre sus átomos generan materiales con duros.

Dureza

Dureza Estructura Compacta

Dureza Mohs

La manera más sencilla para determinar la dureza en un material es la dureza al

rayado, la cual fue propuesta para determinar la dureza en diferentes

minerales y consiste en ver que material raya a otro. De manera que por ejemplo , como una pieza de metal puede rayar a una superficie de madera, entonces se

considera que el metal es más duro que la madera.

http://www.diamantes-infos.com/diamante-tallado/propiedades-diamante.html

La dureza de los minerales se han clasificado en la escala Mohs con valores del 1 al 10, donde el material más blando el talco tiene un valor de 1 y el más duro el diamante de 10.

http://www.phoenixsols.com/page_es.php?id=31

Existe un equipo empleado para medir la dureza a este se le conoce como Durómetro Universal. En el se coloca la muestra y se le aplica una carga (la cual es ajustada por un juego de pesas que contiene el aparato).

La carga se aplica por un tiempo determinado por el identador con una geometría definida. El identador deja una huella o marca en el material, un material duro será poco penetrado por el identador (huella pequeña) mientras que los materiales blandos serán fácilmente penetrados, presentaran huellas grandes.

La dureza se mide en diferentes escalas: Brinell, Vicker o Rowell, cada una de estas escalas se diferencian entre sí por la geometría del identador empleado para hacer el análisis.

Durómetro Universal

Juego de pesas

Identador

Porta muestras

Dureza Vicker, HV

En esta dureza se mide la huella generada en la muestra por el identador o penetrador, el cual es aplicado con una carga o fuerza bien definida.

En este caso el identador tiene una geometría romboédrica y se mide la diagonal de la huella plasmada en el material. La dureza de material es proporcional a la carga aplicada , P y a la dimensión de la huella ,d.

mmhuellapormedidadiagonald

NenacP

d

PHV

,

arg

8544.1 2

Ensayo de Dureza Vickers Marca Vickers en Acero endurecido por cementación

http://es.wikipedia.org/wiki/Dureza_Vickers

http://auladetecnologias.blogspot.com/2011_11_01_archive.html

Dureza Brinell, HB

http://gruponuevastecnicas.blogspot.com/2010/11/dureza-brinell.html

En esta dureza se mide la huella generada en la muestra por el identador, el cual es una esfera.La dureza de material es proporcional a la carga aplicada , P y a la dimensión de la huella d y al diámetro de la esfera D.

Dureza Rockwell, HR

Las unidades de dureza se establecen por la medida de la profundidad, e, de la huella de acuerdo con el modelo:

HR = A - e (mm)/0.002

ESCALA

 CARGA (kg)

 PENETRADORMATERIALES TIPICOS

PROBADOS

 A  60 Cono de diamante

Materiales duros en extremo, carburos de wolframio, etc.

 B  100  Bola de 1/16"

Materiales de dureza media, aceros al carbono bajos y medios, latón, bronce, etc

 C  150 Cono de diamante

Aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y revenidas.

 D  100 Cono de diamante

Acero superficialmente cementado.

 E  100  Bola de 1/8"Hierro fundido, aleaciones de aluminio y magnesio.

 F  60  Bola de 1/16" Bronce y cobre recocidos.

 G  150  Bola de 1/16"Cobre al berilio, bronce fosforoso, etc.

 H  60  Bola de 1/8" Placa de aluminio.

 K  150  Bola de 1/8"Hierro fundido, aleaciones de aluminio.

 L  60  Bola de 1/4"Plásticos y metales suaves, como el plomo.

En esta dureza el identador puede tener la geometría

romboédrica (diamante) o bien puede ser una esfera. En la siguiente tabla se muestran

las diferentes escalas Rockwell.

http://www.monografias.com/trabajos91/propuestas-mejorar-operatividad-secador/propuestas-mejorar-operatividad-secador.shtml

Conversiones de Dureza

No existen formulas matemáticas que permitan realizar la conversión entre las diferentes escalas de dureza, sin embargo hay datos experimentales que permiten realizar comparaciones entre estas. En la siguiente tabla se muestran algunas comparaciones entre los valores de dureza.

http://farojas.uniandes.edu.co/latemm/ensayos_de_mecanizado1/Dureza.htm

Curva Esfuerza-Deformación

Dos comportamientos importantes existen en los materiales cuando son sometidos a esfuerzos de tensión o de compresión:

Elástica o reversible: Si la deformación se recupera al retirar la carga.

Plástica o irreversible: Si la deformación persiste después de retirar la carga.

Al aplicar un esfuerzo en el material se tiene como respuesta la deformación del mismo, la curva que describe la relación entre el esfuerzo y la deformación señalando las regiones elásticas y plásticas del material se le conoce como curva Esfuerzo-Deformación que se muestra a continuación y que se obtienen en los ensayos de tensión y compresión:

Estricción

20

La curva de esfuerzo-deformación también da información de la Resistencia , la cual se refiere a la capacidad de los sólidos deformables para soportar cargas sin alterar su estructura interna o romperse.

A continuación se muestran las curvas de esfuerzo-deformación

para diferentes materiales. Conforme la pendiente de la curva se acerque a los 90° este se vuelve más resistente o rígido.

http://blog.utp.edu.co/metalografia/?attachment_id=2102

Considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad que

poseen ciertos metales para poder estirarse en forma de hilos finos.

Ductibilidad

Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de

transformar algunos metales en láminas delgadas.

Maleabilidad

Además a partir de la forma de la curva esfuerzo-deformación se puede identificar cuando el material es dúctil o maleable.

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/palmira/5000155/lecciones/lec2/2_6.htm

Ensayos para las Propiedades Mecánicas

Describen la forma en que el material responde a una fuerza aplicada, incluyen RESISTENCIA, RIGIDEZ y DUCTILIDAD.

Dependiendo de la manera en como se aplique la carga en el material se tienen los diferentes tipos de ensayos mecánicos:

1) Carga aplicada gradualmente - Tensión, Compresión

2) Golpe repentino – Impacto

3) Cargas cíclicas en el tiempo – Fatiga

4) Se aplica la carga con altas temperaturas – Termofluencia

5) Se aplica la carga bajo condiciones abrasivas – Desgaste

Modulo de Tenacidad.- el área bajo la curva esfuerzo-deformación

http://www.founa.com/founa/index.php/microfracturas/

Modulo de Resilencia (resistencia).- el área bajo la curva esfuerzo-deformación de la zona elástica.

Termofluencia

Fractura

a) Fractura tipo Copa b) Fractura tipo Cono

Fatiga

En esta semana has revisado las propiedades mecánicas de los materiales, las cuales son la respuesta del material cuando se somete a una carga o esfuerzo. Existen sólo tres tipos de cargas que pueden ser aplicadas al material: fuerzas de tensión, compresión y las de corte.

Dependiendo de la fuerza aplicada se tiene el tipo de ensayo mecánico: ensayo de compresión, tensión, torsión, fatiga, flexión, etc. Una de las principales características en los materiales es la dureza, la cual se define como la resistencia que opone el material para ser penetrado. Existen diferentes escalas para medir la dureza (Mohs, Brinell, Vicker, Rockwell) sin embargo todas consisten en medir la huella formada por el identador en la muestra.

Al aplicar un esfuerzo al material este se deforma y el comportamiento esfuerzo-deformación se registra en las curvas de esfuerzo-deformación, de la cual se puede obtener diferente información del material como es la rigidez, elasticidad, plasticidad, maleabilidad, ductibilidad, entre otras. Finalmente se termino con estudiar los procesos de formación de fractura y la fatiga en los materiales.

Bibliografía

1. D.R. Askeland, La Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Ed. Grupo Editorial Iberoamericana S.A. de C.V. (1987)  

2. P.L. Mangonon, Ciencia de los Materiales Selección y Diseño, Prentice Hall (2001)

3. T.L. Brown, H.E. LeMayor, B.E. Bursten, C.J. Murphy, Chemistry the Central Science, 11 Ed. Pearson Prentice Hall (2009)