Propiedades mecánicas
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PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
EVOLUCIÓN DE LOS MATERIALES
LOS MATERIALES
• Ciencia de los materialesInvestigar la relación entre la naturaleza de los
materiales (estructura y composición química) y sus propiedades.
• Ingeniería de los materialesDiseñar o proyectar la macroestructura de un material para conseguir un conjunto determinado de
propiedades. Se fundamenta en las relaciones entre la estructura y las propiedades.
• Composición:Constitución química de un material.
• Estructura:Disposición de elementos estructurales (no implica
orden necesariamente) y tipo de elementos estructurales.
Los elementos estructurales de los materiales son los átomos o moléculas:
Estructura = estructura cristalina y composición química.
• Propiedad:Tipo y magnitud de la respuesta del material a un
estímulo específico.
Tipos de Propiedades:• Mecánicas, eléctricas, térmicas, magnéticas, ópticas y
químicas.
Estímulos:• Carga o fuerza aplicada, campo eléctrico, condiciones
térmicas, campo magnético, radiación electromagnética (lumínica), y condiciones químicas.
Las propiedades de los materiales son decisivas a la hora de elegir un material para una determinada aplicación.
Los cambios en las propiedades del material se deben a un cambio en su estructura interna (microestructura,
macroestructura).
Una de las funciones más importantes de los científicos e ingenieros de materiales es establecer las relaciones entre las propiedades de un material o un dispositivo y el desempeño y la microestructura del material, su composición y la manera en
la que el material o dispositivo se sintetizó o procesó.
TETRAEDRO DE LA CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES
PROPIEDADES MECÁNICAS
Las propiedades mecánicas de los materiales dependen
de su composición y microestructura.
La composición de un material, la naturaleza del enlace,
la estructura cristalina y los defectos tienen una
influencia profunda en la resistencia y ductibilidad de los
materiales metálicos.
Las propiedades mecánicas pueden definirse como
aquellas que tienen que ver con el comportamiento de
un material bajo fuerzas aplicadas.
Las propiedades mecánicas se expresan en términos de
cantidades que son funciones del esfuerzo o de la
deformación o ambas simultáneamente.
En muchas de las tecnologías emergentes actuales, el énfasis principal está en las propiedades mecánicas de los materiales utilizados.
IMPORTANCIA TECNOLÓGICA
Habilidad para funcionar
bajo una carga de impacto.
IMPORTANCIA TECNOLÓGICA
El procesamiento de materiales requiere una comprensión detallada de las propiedades mecánicas de los materiales a distintas temperaturas y condiciones de carga.
También se debe comprender cómo el procesamiento de los materiales puede cambiar las propiedades de éstos.
IMPORTANCIA TECNOLÓGICA
Existen distintos tipos de fuerzas o “esfuerzos” que se encuentran al tratar con las propiedades mecánicas de los materiales.
EsfuerzoFuerza que actúa por unidad de área sobre la que se aplica la fuerza. Se expresa por lo general en psi o en Pa.
Deformación unitariaSe define como el cambio en dimensión por
unidad de longitud. No tiene dimensiones y con frecuencia se expresa como pulg/pulg o cm/cm.
TERMINOLOGÍA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
TERMINOLOGÍA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
De tensión De Compresión Cortante
Material elástico
Deformación
Esfu
erzo
Esfu
erzo
Deformación
Material no linealTangente trazada
en el punto mostrado.
La pendiente cambia con el nivel de esfuerzo
y el valor de la pendiente, el cual varía,
reemplaza a E.
Pendiente = E
Deformación elástica:Deformación recuperable por completo que resulta a partir de un esfuerzo aplicado.
El esfuerzo elástico y la deformación elástica están relacionados de manera lineal.
TERMINOLOGÍA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
Módulo de Young o módulo de elasticidad (E):
psi o Pa.
Elastómeros (relación no lineal)
TERMINOLOGÍA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
Cantidad variable que desplaza al
Módulo de Young.
Modulo Cortante (G):Pendiente de la parte lineal de la curva esfuerzo cortante – deformación cortante.
TERMINOLOGÍA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
Deformación plástica:Deformación permanente de un material.
La rapidez con que se desarrolla la deformación en un material se define como la rapidez de deformación (s-1).
TERMINOLOGÍA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
Cuando los materiales se someten a rapideces de deformación altas se refiere a este tipo de carga como carga de impacto.
Material viscoso:Se desarrolla la deformación durante un tiempo y el material no regresa a su forma original después de
que se elimina el esfuerzo.
TERMINOLOGÍA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
Material viscoelástico (anelástico):Material con una respuesta entra la de una material viscoso y un material elástico.
A diferencia de un material viscoso, cuando se elimina el esfuerzo aplicado, parte de la deformación en un material viscoelástico se recuperará después de un tiempo.
TERMINOLOGÍA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
Recuperación de la deformación:Cambio en la forma de un material después de que se elimina el esfuerzo que ocasiona la deformación.
Relajación de esfuerzo:En los materiales viscoelásticos mantenidos bajo una deformación constante, si se espera, el nivel de
deformación disminuye en un periodo de tiempo.
RESPUESTAS DE DEFORMACIÓN
Ciclo del esfuerzo
Esfu
erzo
Tiempo
Aplica Elimina
El espécimen es cargado a un esfuerzo dado y se descarga de manera subsecuente.
TiempoDef
orm
ació
n
Sólido elástico ideal
TiempoDef
orm
ació
nDeformación elástica y
plástica
ViscoelásticoTiempoD
efor
mac
ión
TiempoDef
orm
ació
n
Parecido al caucho
Flujo viscoso
TiempoDef
orm
ació
n
TiempoDef
orm
ació
nTermofluencia
RESPUESTAS DE DEFORMACIÓN
RESPUESTAS DEL ESFUERZO
Esfu
erzo
Tiempo
Respuesta del esfuerzo La deformación es constante, el esfuerzo disminuye con el tiempo.
Termoplásticos
Relajación de esfuerzo en un material viscoelástico. La deformación es constante.
Cuando se trata con materiales fundidos, líquidos y dispersiones (pinturas o geles), se requiere una descripción
de la resistencia al flujo bajo un esfuerzo aplicado.
MATERIALES NEWTONIANOS
Si la relación entre el esfuerzo cortante aplicado (t) y la rapidez de deformación cortante () es lineal, se refiere a un
material newtoniano.
t = h Viscosidad
Pa s, poises (P) o g/cm s1 Pa s = 10 P = 1000 cP
La viscosidad cinemática es la relación de la
viscosidad y la densidad.
VISCOSIDAD CINEMÁTICA
n = h / r
Con viscosidad en poises y la densidad en g/cm3, la
unidad de la viscosidad cinemática es el Stoke (cm2/s).
MATERIALES NO NEWTONIANOS
Si la relación entre el esfuerzo cortante aplicado (t) y la rapidez de deformación cortante (g) es NO lineal, se refiere a
un material NO newtoniano.
t = h m
Se clasifican en:Adelgazados por corte (pseudo-plásticos)
Engrosados por corte (dilatadores)
MATERIALES NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS
Rapidez de deformación cortante ()
Esfu
erzo
cor
tant
e (t
)
Adelgazamiento por corte
NEWTONIANO
Engrosamiento por corte
Adelgazamiento por corte con fluencia
Plástico de Bingham (adelgazamiento por
corte)
Engrosamiento por corte con fluencia
hap
VISCOSIDAD APARENTE
Fluidos NO Newtonianos
No dependientes
del tiempo
Dilatadores
Harina de maíz mezclada con agua, arena mojada, TiO2
Pseudo-plásticos
CatsupSuspensiones
acuosas de arcilla
Plásticos de Bingham
ChocolateCatsupPinturaGeles
Dependientes del tiempo
Tixotrópicos
Fluidos Newtonianos
PLÁSTICOS DE BINGHAM
El fluido que se comporta como un sólido hasta que se excede un esfuerzo de deformación mínimo y exhibe subsecuentemente una relación lineal entre el esfuerzo y la relación de deformación.
Aplicable al comportamiento de muchos fluidos de la vida real como plásticos, emulsiones, pinturas, sólidos en suspensión.
Requieren de un esfuerzo dado para poder fluir.
COMPORTAMIENTO TIXOTRÓPICO
Por lo general contienen algún tipo de red de partículas o moléculas.
Cuando se aplica la deformación cortante suficientemente grande, la red o estructura tixotrópica se rompe y el material empieza a fluir.
A medida que el corte se detiene, la red comienza a formarse de nuevo y la resistencia al flujo aumenta.
MATERIALES REOPÉCTICOS
Muestran un incremento en la viscosidad aparente como una función del tiempo y a una rapidez de deformación cortante resultante.
Las propiedades reológicas de los materiales se determinan utilizando instrumentos conocidos como viscosímetro o reómetro.
PRUEBA DE TENSIÓN: USO DEL DIAGRAMA ESFUERZO-
DEFORMACIÓN UNITARIA
PRUEBA DE TENSIÓN: USO DEL DIAGRAMA ESFUERZO-DEFORMACIÓN UNITARIA
La prueba o ensayo de tensión es popular dado que las propiedades obtenidas pueden aplicarse al diseño de distintos componentes.
La prueba de tensión mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada de manera lenta (10-4 a 10-2 s-1).
Cruceta movible
Fuerza
Long.Calibrada
Diámetro
Mordaza
Mordaza
Máquina universal:DeformímetroExtensómetro
Deformación
Esfu
erzo
Deformación
Esfu
erzo
Mat. termoplásticos sobre la TV
Elastómero
Deformación
Esfu
erzo
DeformaciónEs
fuer
zo
Cerámicas, vidrios y concreto
CURVAS DE ESFUERZO – DEFORMACIÓN A LA TENSIÓN
Esfuerzo ingenieril: Deformación ingenieril:
ESFUERZO Y DEFORMACIÓN INGENIERILES
Resultados de una prueba de tensión de una barra de prueba de aleación de aluminio de 0.505 pulg de diámetro, lo = 2 pulg.
Cambio en longitud (pulg)Carga (lb)
EJERCICIO
Convierta los datos del cambio en longitud en la
tabla anterior a esfuerzo y deformación
ingenieriles y grafique una curva de esfuerzo-
deformación.
ESFUERZO Y DEFORMACIÓN INGENIERILES
ESFUERZO Y DEFORMACIÓN INGENIERILESEs
fuer
zo in
geni
eril
S (p
si)
Deformación ingenieril e (pulg/pulg)
Límite elástico
Resistencia a la tensión
Módulo de elasticidad
Estiramiento elástico
Resistencia a la fluencia
Deformación plástica Resistencia a la rotura
Deformación a la falla
ESFUERZO Y DEFORMACIÓN INGENIERILES
UNIDADES
Pruebas de tensión:
Esfuerzo psi o Mpa
Deformación pulg/pulg, m/m, cm/cm adimensional
Unidades y factores de conversión1 libra (lb) = 4.448 N
1 Mpa = MN/m2 = N/mm2 = 106 Pa1GPa = 1000 Mpa
1 ksi = 1000 psi = 6.895 Mpa1 psi = 0.006895 Mpa
1 Mpa = 0.145 ksi = 145 psi
EJERCICIO
Una barra de aluminio debe soportar una fuerza aplicada de 45000 libras.
A fin de que la seguridad sea infalible, el esfuerzo máximo permisible sobre la barra se limita a 25000 psi.
La barra debe ser de al menos 150 pulg de largo pero no debe deformarse de manera elástica más de 0.25 pulg cuando se aplique la fuerza.
Diseñe una barra apropiada.
PROPIEDADES OBTENIDAS A PARTIR DE LA PRUEBA DE
TENSIÓN
RESISTENCIA A LA FLUENCIA
Limite elástico:Es el esfuerzo en el cual el material inicia el proceso de
deformación plástico.
Límite proporcional:Nivel de esfuerzo sobre el cual la relación entre el esfuerzo y la deformación es no lineal.
Debido a que no es fácil definirlos, en la curva de S – e se elige el límite elástico cuando tiene lugar un 0.2% de deformación plástica. El límite elástico al 0.2% también se denomina valor de deformación compensado.
Determinación de la resistencia a la fluencia compensada al 0.2 % en el hierro fundido gris.
RESISTENCIA A LA FLUENCIA
Comportamiento del punto de fluencia superior e inferior en un acero al bajo carbono
Esfu
erzo
inge
nier
il S
(psi
)
Deformación ingenieril e (pulg/pulg)
Punto de fluencia inferior
Punto de fluencia superior
RESISTENCIA A LA FLUENCIA
Cuando se diseñan partes para aplicaciones de soporte de carga, se prefiere que haya poca o ninguna deformación plástica.
Como resultado se debe seleccionar un material tal que el esfuerzo del diseño sea considerablemente menor que la resistencia a la fluencia a la temperatura a la que se utilizará el material.
Por otro lado, cuando se desea moldear materiales en componentes (por ejemplo, tomar una hoja de acero y formar el chasis de un automóvil), se necesita aplicar esfuerzos que estarán muy por encima de la resistencia a la fluencia.
RESISTENCIA A LA FLUENCIA
RESISTENCIA A LA TENSIÓNResistencia a la tensión (Srt):
Esfuerzo obtenido en la fuerza aplicada más alta.
Resistencia máxima a la tracción.
RESISTENCIA A LA TENSIÓNResistencia a la tensión (Srt):
Esfuerzo obtenido en la fuerza aplicada más alta.
Resistencia máxima a la tracción.
Desarrollo de un cuello
Fuerza Fuerza
Rebajo (estricción
)
Esfuerzo a la que comienza el rebajo en los materiales dúctiles
Valores de la resistencia a la fluencia comunes para distintos materiales de ingeniería.
RESISTENCIA A LA TENSIÓN
Módulo de elasticidad o módulo de Young (E):pendiente de la curva esfuerzo deformación unitaria en la región elástica.
Ley de Hooke:
PROPIEDADES ELÁSTICAS
Propiedades elásticas y Tf de materiales seleccionados
Material Tf (°C) E (psi) Razón de Poisson (n)
𝑬=𝑺𝒆
En materiales metálicos:El módulo de Young no depende de las características microestructurales pero si de factores como la orientación de un material monocristalino (dirección cristalográfica).
En materiales cerámicos:Depende del nivel de porosidad.
La rigidez de un componente es proporcional a su módulo de Young.
PROPIEDADES ELÁSTICAS
PROPIEDADES ELÁSTICAS
Esfu
erzo
inge
nier
il S
(psi
)
Deformación ingenieril e (pulg/pulg)
AluminioAcero
PROPIEDADES ELÁSTICAS
PROPIEDADES ELÁSTICAS
Razón de Poisson (n):
Relaciona la deformación elástica longitudinal producida por
un esfuerzo de tensión sencillo o un esfuerzo de
compresión con la deformación lateral que ocurre de manera
simultánea:
𝝂= −𝒆𝒍𝒂𝒕𝒆𝒓𝒂𝒍𝒆𝒍𝒐𝒏𝒈𝒊𝒕𝒖𝒅𝒊𝒏𝒂𝒍
PROPIEDADES ELÁSTICAS
Razón de Poisson (n):
Relaciona la deformación elástica longitudinal producida por
un esfuerzo de tensión sencillo o un esfuerzo de
compresión con la deformación lateral que ocurre de manera
simultánea:
PROPIEDADES ELÁSTICAS
Módulo de resiliencia (Er)
El área contenida bajo la porción elástica de una curva
esfuerzo-deformación, es la energía elástica que absorbe un
material durante la carga y que se libera de manera
subsecuente cuando se elimina la carga.
𝑬 𝒓=𝟏𝟐 (𝒓𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒂𝒍𝒂 𝒇𝒍𝒖𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 )(𝒅𝒆𝒇𝒐𝒓𝒎𝒂𝒄𝒊 ó𝒏𝒆𝒏𝒍𝒂 𝒇𝒍𝒖𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂)
TENACIDAD A LA TENSIÓN
Energía absorbida por un material antes de fracturarse.
Área bajo la curva de esfuerzo-deformación verdaderos
(trabajo de fractura).
EJERCICIO
Calcule el módulo de elasticidad de la aleación de aluminio para la que se muestra la curva de esfuerzo-deformación ingenieriles.
Calcule la longitud de una barra de longitud inicial de 50 pulg, cuando se aplica un esfuerzo de tensión de 30000 psi.
EJERCICIOEs
fuer
zo in
geni
eril
S (p
si)
Deformación ingenieril e (pulg/pulg)
Límite elástico
Resistencia a la tensión
Módulo de elasticidad
Estiramiento elástico
Resistencia a la fluencia
Deformación plástica Resistencia a la rotura
Deformación a la falla
EJERCICIO
DUCTILIDAD
Habilidad de un material a deformarse de manera permanente sin romperse cuando se aplica una fuerza.
Medidas comunes de la ductilidad:• Porcentaje de elongación
Cuantifica la deformación plástica permanente en la falla midiendo la distancia ente las marcas calibradas en el espécimen antes y después de la prueba.
% 𝒅𝒆𝒆𝒍𝒐𝒏𝒈𝒂𝒄𝒊 ó𝒏= 𝒍𝒇 − 𝒍𝟎𝒍𝟎𝒙𝟏𝟎𝟎
Distancia entre las marcas calibradas después de que el espécimen se rompe.
DUCTILIDAD
• Reducción porcentual en el área:
Describe la cantidad de adelgazamiento experimentado por el
espécimen durante la prueba.
Área de la sección transversal final en la superficie de la fractura.
% 𝒅𝒆𝒓𝒆𝒅𝒖𝒄𝒄𝒊ó𝒏𝒆𝒏𝒆𝒍 á𝒓𝒆𝒂= 𝑨𝟎− 𝑨𝒇
𝑨𝟎𝒙 𝟏𝟎𝟎
EJERCICIO
La aleación de aluminio tiene una longitud final después de la falla de 2.195 pulg y un diámetro final de 0.398 pulg en la superficie fracturada.
Calcule la ductilidad de esta aleación.
EFECTO DE LA TEMPERATURA
En los metales, la resistencia a la fluencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad disminuyen a temperaturas más altas, mientras que la ductilidad por lo general aumenta.
Temperatura alta se define con la relación a la temperatura de fusión.
EFECTO DE LA TEMPERATURA
El incremento de las temperaturas también desempeña una función importante en la formación de materiales poliméricos y vidrios inorgánicos.
El término de “temperatura alta” por lo general se refiere a una temperatura mayor que la Tv.
Los materiales cerámicos y vítreos por lo general se consideran quebradizos a temperatura ambiente.
A medida que aumenta la temperatura, los vidrios pueden volverse más dúctiles.
ESFUERZO VERDADERO Y DEFORMACIÓN VERDADERA
ESFUERZO Y DEFORMACIÓN VERDADERA
𝑫𝒆𝒇𝒐𝒓𝒎𝒂𝒄𝒊 ó𝒏𝒗𝒆𝒓𝒅𝒂𝒅𝒆𝒓𝒂=𝜺=∫𝒍𝟎
𝒍 𝒅𝒍𝒍 =𝒍𝒏( 𝒍𝒍𝟎 )
A Área instantánea sobre la que se aplica la fuerza.l Longitud instantánea de la muestra.lo Longitud inicial.
ESFUERZO Y DEFORMACIÓN VERDADERAMetales:Deformación plástica es un proceso a volumen constante.
No son válidas después de que comienza el rebajo, debido a que la distribución de la deformación a lo largo de la longitud calibrada no es uniforme.
ESFUERZO Y DEFORMACIÓN VERDADERA
Después de que comienza el rebajo:
ESFUERZO Y DEFORMACIÓN VERDADERA
Deformación Deformación
Esf
uerz
o
Esf
uerz
o
De ingeniería De ingeniería
RMTVerdaderoRMT
Verdadero
EJERCICIO
Compare el esfuerzo y la deformación ingenieriles con el esfuerzo y la deformación verdaderos para la aleación de aluminio en:a) La carga máximab) En la fracturaEl diámetro en la carga máxima es de 0.4905 pulg y en la fractura es de 0.398 pulg.
EJERCICIO
EJERCICIOEs
fuer
zo in
geni
eril
S (p
si)
Deformación ingenieril e (pulg/pulg)
Límite elástico
Resistencia a la tensión
Módulo de elasticidad
Estiramiento elástico
Resistencia a la fluencia
Deformación plástica Resistencia a la rotura
Deformación a la falla
PRUEBA DE FLEXIÓN PARA MATERIALES
QUEBRADIZOS
PRUEBA DE FLEXIÓN PARA MATERIALES QUEBRADIZOS
En los materiales metálicos dúctiles la curva de esfuerzo-deformación ingenieril por lo regular pasa a través de un máximo resistencia a la tensión del material.
La falla ocurre a un esfuerzo ingenieril menor después del rebajo.
En los materiales quebradizos la prueba de tensión normal no puede llevarse a cabo con facilidad debido a la presencia de fisuras en la superficie.
Prueba de flexión
PRUEBA DE FLEXIÓN PARA MATERIALES QUEBRADIZOS
PRUEBA DE FLEXIÓN PARA MATERIALES QUEBRADIZOS
Al aplicar la carga en 3 puntos y ocasionando una flexión, una fuerza de tensión actúa sobre el material opuesta al punto medio.
La resistencia a la flexión o módulo de ruptura, describe la resistencia del material:
𝜎 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛=3𝐹 𝐿2𝑤 h2
F Carga de la fractura.L Distancia entre los 2 puntos externos.w Ancho del espécimen.h Altura del espécimen.
PRUEBA DE FLEXIÓN PARA MATERIALES QUEBRADIZOSE
sfue
rzo
(psi
)
Deflexión (pulg)
Fractura
Curva de esfuerzo-deflexión para el MgO cerámico obtenida a partir de una prueba de flexión
PRUEBA DE FLEXIÓN PARA MATERIALES QUEBRADIZOS
Los módulos de elasticidad en la flexión o el módulo de flexión (Eflexión):
𝑴 ó𝒅𝒖𝒍𝒐 𝒅𝒆 𝒇𝒍𝒆𝒙𝒊 ó𝒏𝑬 𝒇𝒍𝒆𝒙𝒊 ó𝒏=𝑳𝟑𝑭
𝟒𝒘𝒉𝟑𝜹
Esta prueba también puede realizarse utilizando una configuración conocida como prueba de flexión en 4 puntos:
𝝈 𝒇𝒍𝒆𝒙𝒊 ó𝒏=𝟑𝑭 𝑳𝟏
𝟒𝒘𝒉𝟐
PRUEBA DE FLEXIÓN PARA MATERIALES QUEBRADIZOS
PRUEBA DE FLEXIÓN PARA MATERIALES QUEBRADIZOS
Comparación de las resistencias a la tensión, compresión y flexión de los materiales cerámicos y compuestos seleccionados.
MaterialResistencia a la
tensión (psi)Resistencia a la compresión (psi)
Resistencia a la flexión (psi)
Poliéster – 50 % fibras de vidrioPoliéster – 50 % tejido de fibra de vidrioAl2O3 (99 % puro)SiC (sinterizado sin presión)
a Varios materiales compuestos son bastantes deficientes en compresión
EJERCICIO
La resistencia a la flexión de un material compuesto reforzado con fibras de vidrio es de 45000 psi y el módulo de flexión es de 18 x 106 psi.
Se soporta una muestra, la cual es de 0.5 pulg de ancho, 0.275 pulg de alto y 8 pulg de largo, entre 2 barras separadas 5 pulg.
Determine la fuerza requerida para fracturar el material y la deflexión de la muestra en la fractura, suponiendo que no ocurre ninguna deformación plástica.
DUREZA DE LOS MATERIALES
DUREZA DE LOS MATERIALES
La prueba de dureza mide la resistencia a la penetración de la superficie de un material por un objeto duro.
La dureza, dependiendo del contexto, representa la resistencia a los rayones o a la indentación y una medida cualitativa de la resistencia del material.
Pruebas de dureza:• De Brinell
• De Rockwell
PRUEBA DE DUREZA DE BRINELL
Una esfera de acero duro (D = 10 mm) es forzada contra la superficie del material.
𝑫𝑩=𝟐𝑭
𝝅 𝑫 [𝑫−√𝑫𝟐−𝑫❑𝟐 𝒊 ] kg/mm2
Número de dureza de Brinell
PRUEBA DE DUREZA DE ROCKWELL
Utiliza una esfera de acero de diámetro pequeño para materiales blandos y un cono de diamante, o Brale, para materiales más duros.
Profundidad Profundidad
BraleEsfera
Número de dureza de Rockwell (DR) Adimensional
COMPARACIÓN DE PRUEBAS DE DUREZA COMUNES
Prueba Penetrador Carga (kg) Aplicación
De Brinell Esfera de 10 mm 3000 Hierro colado y acero
De Brinell Esfera de 10 mm 500 Aleaciones no ferrosas
De Rockwell A Cono 60 Materiales muy duros
De Rockwell B Esfera de 1/16 pulg 100 Latón, acero de baja resistencia
De Rockwell C Cono 150 Acero de alta resistencia
De Rockwell D Cono 100 Acero de alta resistencia
De Rockwell E Esfera de 1/8 pulg 100 Materiales muy blandos
De Rockwell F Esfera de 1/16 pulg 60 Aluminio, materiales blandos
De Vickers Pirámide cuadrada de diamante 10 Todos los materiales
De Knoop Pirámide alargada de diamante 500 g Todos los materiales
Microdureza Macro o microdureza
DUREZA DE LOS MATERIALES
La dureza se correlaciona bien con la resistencia al desgaste.
EFECTOS DE LA RAPIDEZ DE DEFORMACIÓN Y
COMPORTAMIENTO AL IMPACTO
PRUEBA DE IMPACTO
Para evaluar la fragilidad de un material bajo una rapidez de deformación rápida.
Prueba de CharpyPrueba de Izod
Energía de impacto
Charpy:ft lb o J
Izod:ft lb / pulg o J /m
TENACIDAD DE IMPACTO
Habilidad de un material para soportar un golpe de impacto.
Se mide la energía necesaria para fracturar un material.
TENACIDAD A LA FRACTURA
Habilidad de un material que contiene imperfecciones para soportar una carga aplicada.
PROPIEDADES OBTENIDAS A PARTIR DE LA PRUEBA DE
IMPACTO
TEMPERATURA DE TRANSICIÓN DE DÚCTIL A QUEBRADIZO (TTDQ)
Temperatura a la cual el modo de falla de un material cambia de fractura dúctil a quebradiza.
Puede definirse por medio de la energía promedio entre las regiones dúctil y quebradiza, a alguna energía absorbida específica o por medio de alguna aparición de una fractura característica.
Metales CCCu tienen temperaturas de transición.Metales CCCa no tienen temperaturas de transición.
Materiales poliméricos Tv
Resultados a partir de una serie de pruebas de impacto de Izod para un polímero termoplástico de nailon duro.
TEMPERATURA DE TRANSICIÓN DE DÚCTIL A QUEBRADIZO (TTDQ)
SENSIBILIDAD A LA MUESCA
La muesca ocasionada por un maquinado, una fabricación o un
diseño deficientes concentra los esfuerzos y reduce la tenacidad de
los materiales.
La sensibilidad de la muesca de un material puede evaluarse
comparando las energías absorbidas de la muesca en función de
los especímenes sin muesca.
RELACIÓN CON EL DIAGRAMA DE ESFUERZO-DEFORMACIÓN
Los ingenieros con frecuencia consideran el área bajo la curva de
esfuerzo-deformación ingenieriles como la tenacidad a la tensión.
Aunque el material B tiene una resistencia a la fluencia menor, absorbe más energía que el material A.
USO DE LAS PROPIEDADES DE IMPACTO
La energía absorbida y la TTDQ son muy sensibles a:
Las condiciones de carga.
El tamaño del espécimen.
La configuración de la muesca.
VIDRIOS METÁLICOS VOLUMINOSOS Y SU COMPORTAMIENTO MECÁNICO
VIDRIOS METÁLICOS VOLUMINOSOS
Los metales, como se encuentran en la naturaleza son cristalinos,
sin embargo, cuando aleaciones particulares de muchos
componentes se enfrían rápidamente, pueden formarse metales
amorfos vidrios metálicos voluminosos.
Metales amorfos:
Hilatura por fusión
VIDRIOS METÁLICOS VOLUMINOSOS
Producción uso de un arco eléctrico para fusionar elementos de
pureza alta.
Resistencia a la fluencia altas.
Quebradizos.
VIDRIOS METÁLICOS VOLUMINOSOS
A temperatura ambiente s deforman permanentemente a través del
cortante intenso en bandas estrechas del material de alrededor de
10 a 1000 nm de grosor.
Esto crea desplazamientos cortantes en los bordes del material.
Comportamiento de
esfuerzo-deformación
“dentado”
APLICACIONES
• Equipamiento deportivo
• Cubiertas electrónicas
• Componentes de defensa
• Materiales estructurales
• Recubrimientos industriales
MECÁNICA DE LA FRACTURA
MECÁNICA DE LA FRACTURA
Disciplina que trata con el comportamiento de los materiales que
contienen grietas u otras imperfecciones.
Tenacidad a la fractura:
Habilidad de un material que contiene una imperfección para
soportar una carga aplicada.
MECÁNICA DE LA FRACTURA
f factor geométrico para el espécimen
y la imperfección. esfuerzo aplicado.a tamaño de la imperfección.
El esfuerzo aplicado al material se intensifica en la imperfección, la cual actúa como un elevador de esfuerzo.
El factor de intensidad del esfuerzo (K):
MECÁNICA DE LA FRACTURA
Se puede determinar el valor de K que ocasiona que la fisura crezca y ocasiona la falla.
Este valor de intensidad del esfuerzo crítico se define como tenacidad a la fractura Kc.
Kc = K requerido para que una grieta se propague
Acero
Tenacidad a la fractura en estado de deformación plana, KIC
MECÁNICA DE LA FRACTURA
MECÁNICA DE LA FRACTURA
La habilidad de un material para resistir el crecimiento de una grieta depende:
• Las imperfecciones más grandes reducen el esfuerzo permitido.• La habilidad de un material para deformarse es crítico.• Las piezas más rígidas y gruesas de un material dado tienen una
tenacidad a la fractura menor que los materiales delgados.• El incremento de la rapidez de la aplicación de carga, por lo
regular reduce la tenacidad a la fractura.• El aumento de la temperatura, incrementa la tenacidad.• Un tamaño de grano pequeño, mejora la tenacidad.
MECÁNICA DE LA FRACTURA