INTRODUCCIONLas propiedades mecnicas de los materiales son de vital importancia para los ingenieros ya que con el conocimiento de estas se puede disear elementos con los materiales adecuados lo que significa un ahorro en el proceso de manufactura y una proteccin cuando el material est sometido a esfuerzos especficos. Estas propiedades indican que tan bueno es un material para determinado esfuerzo, por ejemplo el concreto que es un excelente material para soportar esfuerzos de compresin como los que sufren las columnas de los puentes, edificios, casas, etc. Pero el concreto sometido a tensin tiene pobres propiedades mecnicas por lo que no se ven estructuras colgantes sostenidas con concreto. En cambio el acero es un muy buen material para trabajar a tensin por lo que se utiliza en aplicaciones como los alambres que sostienen los puentes colgantes y las armazones que tienen las grandes estructuras. No se utiliza el acero para fabricar vigas ya que este es muy resistente a la compresin, en vez de comprimirse, el acero se flexiona causando que la viga deje de funcionar como se desea. Muchos materiales, cuando prestan servicio, estn sometidos a fuerzas o cargas, ejemplos de ello son los revestimientos refractarios de los hornos, las aleaciones de aluminio con las cuales se construyen las alas de los aviones, el acero de los ejes de los automviles o las vigas y pilares de los edificios. En tales situaciones es necesario conocer las caractersticas del material y disear la pieza de tal manera que cualquier deformacin resultante no sea excesiva y no se produzca la rotura.Entonces las propiedades mecnicas nos indican para que aplicaciones es bueno cada material por lo que es muy importante que el ingeniero sepa interpretar los valores de estas y sepa realizar ensayos para determinar las mismas.

PROPIEDADES MECANICASESFUERZO Y DEFORMACIN

El esfuerzo se define aqu como la intensidad de las fuerzas componentes internas distribuidas que resisten un cambio en la forma de un cuerpo. El esfuerzo se define en trminos de fuerza por unidad de rea. Existen tres clases bsicas de esfuerzos: tensivo, compresivo y corte. El esfuerzo se computa sobre la base de las dimensiones del corte transversal de una pieza antes de la aplicacin de la carga, que usualmente se llaman dimensiones originales.

La deformacin se define como el cambio de forma de un cuerpo, el cual se debe al esfuerzo, al cambio trmico, al cambio de humedad o a otras causas. En conjuncin con el esfuerzo directo, la deformacin se supone como un cambio lineal y se mide en unidades de longitud. En los ensayos de torsin se acostumbra medir la deformacin cmo un ngulo de torsin (en ocasiones llamados detrusin) entre dos secciones especificadas.

Cuando la deformacin se define como el cambio por unidad de longitud en una dimensin lineal de un cuerpo, el cual va acompaado por un cambio de esfuerzo, se denomina deformacin unitaria debida a un esfuerzo. Es una razn o numero no dimensional, y es, por lo tanto, la misma sin importar las unidades expresadas, su clculo se puede realizar mediante la siguiente expresin:

e = e / L (14)

donde,e : es la deformacin unitaria,e : es la deformacinL : es la longitud del elemento

En la figura se muestra la relacin entre la deformacin unitaria y la deformacin. Si un cuerpo es sometido a esfuerzo tensivo o compresivo en una direccin dada, no solo ocurre deformacin en esa direccin (direccin axial) sino tambin deformaciones unitarias en direcciones perpendiculares a ella (deformacin lateral). Dentro del rango de accin elstica la compresin entre las deformaciones lateral y axial en condiciones de carga uniaxial (es decir en un solo eje) es denominada relacin de Poisson. La extensin axial causa contraccin lateral, y viceversa.

1.Esfuerzo de CompresinLa resistencia a la compresin es el mximo esfuerzo de compresin que un material es capaz de desarrollar. Con un material quebradizo que falla en compresin por ruptura, la resistencia a la compresin posee un valor definido. En el caso de los materiales que no fallan en compresin por una fractura desmoronante (materiales dctiles, maleables o semiviscosos), el valor obtenido para la resistencia a la compresin es un valor arbitrario que depende del grado de distorsin considerado como falla efectiva del material. Se muestran diagramas caractersticos de esfuerzo y deformacin para materiales dctiles y no dctiles en compresin:

La figura muestra los diagramas esquemticos de esfuerzo y deformacin para materiales dctiles y no dctiles, ensayados a compresin hasta la ruptura.

2.Esfuerzo de Flexin

En las vigas la flexin genera momentos internos; en un diagrama de momentos flectores internos, un momento positivo significa que en su seccin transversal, la fibra inferior al eje neutro (que coincide con el eje centroidal) est sometido a esfuerzos normales de tensin, y la fibra superior al eje neutro estar sometido a esfuerzos normales de compresin. Sin embargo, estos esfuerzos no se distribuyen en forma constante, como en los esfuerzos normales directos, sino que tienen una distribucin variable, a partir del eje neutro hasta las fibras extremas. Se puede deducir como es el comportamiento de la seccin transversal cuando el momento flector interno es negativo, y de igual manera, que en el eje neutro, los esfuerzos normales son nulos, y mximos para cada caso en las fibras extremas.

La Capacidad resistente a flexin en vigas de acero se define segn las siguientes:

La resistencia a flexin de perfiles compactos es una funcin de la longitud no soportada conocida como Lb. Si sta es menor que el parmetro Lp, se considera que la viga cuenta con un soporte lateral total y por lo tanto su capacidad resistente a flexin es el momento plstico Mp. Cuando la longitud del elemento es mayor a Lp la resistencia en flexin disminuye por efecto de pandeo lateral inelstico o pandeo lateral elstico. Si Lb es mayor que Lp pero menor o igual al parmetro Lr, se trata de un pandeo lateral torsional (PLT) inelstico. Cuando Lb es mayor que Lr la resistencia del perfil se basa en el pandeo lateral torsional elstico. La Figura 1 muestra la relacin entre la longitud soportada Lb y el momento resistente Mn (Segui, 2000).Los parmetros indicados en la figura se obtienen con las siguientes ecuaciones: Las longitudes Lp y Lr vienen dadas por:

3.Esfuerzo de Traccin TensinSe denomina traccin al esfuerzo interno a que est sometido un cuerpo por la aplicacin de dos fuerzas que actan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. Lgicamente, se considera que las tensiones que tiene cualquier seccin perpendicular a dichas fuerzas son normales a esa seccin, y poseen sentidos opuestos a las fuerzas que intentan alargar el cuerpo. Un cuerpo sometido a un esfuerzo de traccin sufre deformaciones positivas (estiramientos) en ciertas direcciones por efecto de la traccin. Sin embargo el estiramiento en ciertas direcciones generalmente va acompaado de acortamientos en las direcciones transversales; as si en unprisma mecnico la traccin produce un alargamiento sobre el eje "X" que produce a su vez un encogimiento sobre los ejes "Y" y "Z". Este encogimiento es proporcional al coeficiente de Poisson ():Cuando se trata de cuerpos slidos, las deformaciones pueden ser permanentes: en este caso, el cuerpo ha superado su punto de fluencia y se comporta de forma plstica, de modo que tras cesar el esfuerzo de traccin se mantiene el alargamiento; si las deformaciones no son permanentes se dice que el cuerpo es elstico, de manera que, cuando desaparece el esfuerzo de traccin, aqul recupera su longitud primitiva.La relacin entre la traccin que acta sobre un cuerpo y las deformaciones que produce se suele representar grficamente mediante un diagrama de ejes cartesianos que ilustra el proceso y ofrece informacin sobre el comportamiento del cuerpo de que se trate.

Ensayo de traccinSe define el ensayo de traccin como al esfuerzo al que se somete la probeta de un material a un esfuerzo de traccin hasta que el material se rompe. Se utiliza para analizar la resistencia que tiene un material al aplicar una fuerza que va creciendo gradualmente. Un ensayo de traccin se realiza colocando la pieza de un material cualquiera entre unas pinzas que aplicarn una fuerza de traccin que ir aumentando gradualmente hasta su rotura. A medida que aumenta la fuerza se mide la longitud que aumenta y se puede observar durante el alargamiento una estriccin que se produce por este efecto. El comportamiento del material al ir estirndose por la accin de la fuerza es recogido por un ordenador y llevado a una tabla directamente.

En la grfica, se pueden analizar distintos valores de cmo se comporta el material ante los esfuerzos de traccin (si soporta grandes esfuerzos o por el contrario se rompe con mucha facilidad). Pero adems se pueden observar distintos comportamientos del material. Dentro de la tabla se pueden analizar dos zonas: la zona elstica y la zona plstica.La zona elstica es donde el material (desde el comienzo de la aplicacin de la fuerza hasta un punto determinado) puede recuperar su forma original si se deja de aplicar la fuerza. Y se subdivide en zona de proporcionalidad que es donde la proporcin entre el aumento del esfuerzo y el alargamiento es constante; y en zona de no proporcionalidad que nos indica que el esfuerzo al que es sometido no es proporcional al alargamiento producido por el material en esta zona.

La zona plstica es distinta a la elstica ya que si se deja de aplicar el esfuerzo de traccin, el material no es capaz de recuperar su forma original. Se distinguen tres partes: zona de fluencia que es donde el material sin necesidad de aplicar ninguna fuerza se deforma, rotura del material se observa que el material comienza a no aguantar determinados esfuerzos y rotura fsica del material que es cuando se rompe finalmente.

En el vdeo educativo del Politecnico Jaime Isaza Cadavid, se referencia en detalle el Diagrama esfuerzo deformacinhttp://youtu.be/CFJp0weHMG0

4.Esfuerzo de Torsin

Esfuerzo de Torsin, que es en teora cualquier vector colineal con un eje geomtrico de un elemento mecnico, debido a la accin de tal carga se produce una torcedura en el elemento mecnico, que si sobrepasa cierto valor por supuesto termina rompiendo la pieza elemento.El ngulo de torsin de una barra de seccin circular es:DondeT = momento torsionantel = longitud de la barraG = mdulo de rigidezJ = momento polar de inercia del rea transversalLas caractersticas de las variables de la ecuacin se pueden visualizar en la figura

El montaje del ensayo se adecua a la siguiente:

Curvas tensin deformacinLas curvas tensin - deformacin, usualmente, se obtienen mediante ensayos de laboratorio realizados mediante normas estandarizadas y utilizando probetas tambin estandarizadas. Se fijan la velocidad de carga y la temperatura. Los ensayos se pueden realizar con cargas de compresin, traccin, flexin y cortadura, que a su vez pueden ser estticas o dinmicas. Los ensayos de compresin, traccin y flexin con cargas estticas son los que mas se suelen realizar. Los ensayos de TRACCION se realizan con los MATERIALES DUCTILES con un cierto grado de plasticidad, tales como los materiales metlicos ferrosos y no ferrosos, plsticos, gomas, fibras, etc. Los ensayos de COMPRESION Y FLEXION se realizan con los MATERIALES FRAGILES, tales como los materiales refractarios, el hormign, cermicos, etc. Estos materiales poseen una baja resistencia a la traccin en comparacin con la de compresin. Las curvas tensin - deformacin nos permiten determinar las principales caractersticas mecnicas de los materiales, As, se pueden estimar una serie de importantes propiedades tales como: 1. RESISTENCIA.2. RIGIDEZ .3. DUCTILIDAD. 4. RESILIENCIA. 5. TENACIDAD.Ductilidad La ductilidad es una propiedad de algunos metales y aleaciones que nos permite, bajo la accin de fuerzas, estirar el metal o aleacin sin llegar a romperlo. Los metales y aleaciones que cumplen con esta propiedad se les conocen bajo el nombre de dctiles. Es decir, los materiales dctiles son aquellos que al aplicarles una fuerza pueden llegar a deformarse grandes cantidades sin llegar a romperse y los materiales no-dctiles son aquellos que al aplicarles una fuerza se deforman un poco cantidad y se rompen.

La propiedad de la ductilidad disminuye a la hora de aumentar la temperatura. Es por esta condicin que el hilado de los metales y aleaciones se hace en frio y en consecuencia este se vuelve duro y frgil, necesitando un recosido para recuperar sus propiedades.

La ductilidad de un material se observa por la disminucin con relacin a la inicial. El coeficiente de ductilidad puede variar entre los valores de 1 y 2 y se obtiene mediante la siguiente expresin:

Donde S es la seccin inicial y S es la seccin de la rotura.

Un material no dctil posee una grafica de esfuerzo-deformacin de la siguiente forma:

Donde se puede observar que el material al sobre pasar su lmite elstico (tramo 1 de la grfica) llega a su punto de fluencia y se fractura. Este tipo de materiales no dan lugar a que se presente una deformacin permanente, es decir, que supere su lmite elstico y siga su deformacin. Por el otro lado, un material dctil presenta la siguiente grafica esfuerzo-deformacin:

Donde se puede observar como el material al sobrepasar su lmite de elasticidad aun permite una deformacin pero en este caso ser una deformacin permanente, es decir, cuando se le quite la fuerza que est causando esta deformacin, se comportara como en el estado elstico pero presentara una deformacin permanente. Es importante no confundir un material dctil con un material blando, ya que la ductilidad es una propiedad que como tal se manifiesta una vez que el material est soportando una fuerza considerable; es decir, mientras la carga sea pequea, la deformacin tambin lo ser, pero alcanzado cierto punto el material cede, deformndose en mayor cantidad de lo que lo haba hecho hasta entonces pero sin llegar a romperse.Resilencia La resilencia es una propiedad de los materiales para absorber energa elstica mientras el material est sometido a una fuerza que produce una deformacin. Esta energa es liberada cuando esta fuerza se deja de aplicar al material. En otras palabras, la resilencia es la capacidad de un material de volver a su posicin inicial cuando se le quita la fuerza que generaba una deformacin. En cuanto a ingeniera, es de vital importancia el conocer y manejar el termino de modulo de resilencia. El modulo de resilencia es el parmetro medible en un material que es la energa de deformacin por unidad de volumen que se necesita para deformar un material hasta llegar a su lmite elstico (medido en Jules por metro cubico). En una curva de ensayo de traccin, entre la deformacin nula y la deformacin correspondiente al esfuerzo de fluencia, la resilencia corresponde al el rea bajo la curva de la grafica.

En trminos simples la resiliencia es la capacidad de memoria de un material para recuperarse de una deformacin, producto de un esfuerzo externo. El ensayo de resiliencia se realiza mediante el Pndulo de Charpy, tambin llamado prueba Charpy.Se diferencia de la tenacidad en que sta cuantifica la cantidad de energa almacenada por el material antes de romperse, mientas que la resiliencia tan slo da cuenta de la energa almacenada durante la deformacin elstica. La relacin entre resiliencia y tenacidad es generalmente montona creciente, es decir, cuando un material presenta mayor resiliencia que otro, generalmente presenta mayor tenacidad. Sin embargo, dicha relacin no es lineal.

Tenacidad La tenacidad es la energa total que absorbe un material antes de alcanzar fracturarse. Esta energa es absorbida por el material debido a la deformacin que tiene. Los materiales que tienen una alta tenacidad tienen muchas aplicaciones como lo son los automviles que tienen que absorber la energa de un impacto para proteger a los pasajeros.

Dureza

La dureza es una propiedad mecnica de los materiales que consiste en la dificultad que existe para rayar o crear marcas en la superficie mediante micro penetracin de una punta. En metalurgia la dureza se mide utilizando un durmetro para el ensayo de penetracin. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza. El inters de la determinacin de la dureza en los aceros estriba en la correlacin existente entre la dureza y la resistencia mecnica, siendo un mtodo de ensayo ms econmico y rpido que el ensayo de traccin, por lo que su uso est muy extendido. Hasta la aparicin de la primera mquina Brinell para la determinacin de la dureza, sta se meda de forma cualitativa empleando una lima de acero templado que era el material ms duro que se empleaba en los talleres. Los materiales que tienen una alta dureza se utilizan en aplicaciones donde se desea que la apariencia del material no se vea afectada por elementos externos, como los aros de los carros, relojes, barandas, etc.