2n Batxillerat
INS Frederic Mompou
Curs 2012-2013
PROPIETATS I ASSAIGS DE MATERIALS
Els materials i els processos industrials
• L’energia i els materials són els dos elements imprescindibles per tot procés industrial.
• En tot procés tecnològic, una de les primeres coses que s’han de fer és un projecte. S’ha de tenir uns criteris de selecció del material. Aquests criteris són els següents:
• Propietats del material. • Qualitats estètiques, que serien el color, la textura, la forma, etc. • Procés de fabricació a seguir i maquinària adequada. • Cost. • Disponibilitat, la vida prevista al mercat. • Impacte ambiental, de l’extracció i transformació de les matèries primeres.
Mirar si la seva extracció de les matèries primeres són agressives al medi ambient.
Propietats mecàniques • Tractarem materials que es troben en estat sòlid a
temperatura ambient
• Les propietats mecàniques descriuen el comportament dels materials davant l’aplicació de forces externes.
• Cada material té un comportament diferent i particular quan li són aplicades forces externes. Per tant, hem de conèixer les propietats mecàniques dels materials per tal de poder triar el més adequat a cada aplicació.
• Per conèixer i mesurar les seves propietats mecàniques, els materials se sotmeten a unes proves de laboratori anomenades assaigs.
Propietats mecàniques: resistència mecànica i assaig de tracció
• Les deformacions dels cossos, i per tant dels elements estructurals, poden ser molt diverses.
• En general una deformació és una modificació de la forma i això representa una modificació de l'estructura molecular dels materials o elements constructius.
• Per tal de poder estudiar una mica en profunditat aquestes deformacions introduirem el concepte d'esforç
• Definirem com a esforç aquell tipus d'acció (conjunt de forces i moments aplicats en un cos) que provoca un determinat tipus de deformació.
Propietats mecàniques: resistència mecànica i assaig de tracció
• La resistència mecànica és la capacitat de suportar esforços sense deformar-se o trencar-se.
• Segons la manera d’aplicar-los sobre el material es distingeixen diferents tipus d’esforços:
• De tracció: quan intenten estirar
• De compressió: quan intenten aixafar
• De flexió: quan intenten doblegar
• De torsió: quan intenten retorçar
• De cisalla: quan intenten tallar
Propietats mecàniques: resistència mecànica i assaig de tracció
• De tracció: quan intenten estirar
• De compressió: quan intenten aixafar
• De flexió: quan intenten doblegar
• De torsió: quan intenten retorçar
• De cisalla: quan intenten tallar
Tipus d’esforços:
Els esforços de flexió es poden considerar, en general,
com la combinació d’una tracció i d’una compressió.
La intensitat
d’aquests esforços
no és homogènia:
augmenta a les
zones més
allunyades, i
disminueix a les
més properes.
De vegades, segons la forma del
material, un esforç de compressió
pot produir un corbament en lloc
d’un aixafament. Aquest fenomen
rep el nom de vinclament, i es
dóna en materials esvelts (molt
llargs en comparació amb la seva
secció transversal)
Tot i que las dues bigues
tenen la mateixa secció, la
biga superior suporta millor
els esforços de flexió
perquè té un cantell més
llarg.
Esforç
aplicat
Formes més adequades
de suportar-lo
Tracció Secció elevada
Compressió Secció elevada i poca
longitud
Flexió Secció elevada, cantell
gran, poca longitud
Torsió Secció elevada
Cisallament Secció elevada
Propietats mecàniques:models de deformació i comportament mecànic
• Quan un material és deformat per l’aplicació d’un esforç, pot ser que la deformació sigui temporal o permanent.
• Si és temporal → el material torna a la seva forma inicial un cop retirat l’esforç → deformació elàstica
• Si és permanent → el material manté certa deformació malgrat haver retirat l’esforç → deformació plàstica
Comportament elàstic: Comportament plàstic:
Propietats mecàniques: models de deformació i comportament mecànic
• Hi ha materials que es trenquen sense experimentar, pràcticament cap deformació prèvia → comportament fràgil
• En canvi, hi ha materials que es deformen ostensiblement abans de trencar-se → comportament dúctil
Propietats mecàniques: assaig de tracció. Esforç i allargament unitari
• L’assaig de tracció és una de les proves de laboratori més utilitzades i que més informació proporciona sobre les propietats mecàniques dels materials.
• Per tal que els valors obtinguts no depenguin de les dimensions de la peça que estem utilitzant, sinó només del seu material, s’utilitzen els conceptes d’esforç unitari i allargament unitari.
Propietats mecàniques: assaig de tracció. Esforç i allargament unitari
Màquina per a l’assaig de tracció
Dibuix acotat d’una proveta
Propietats mecàniques: assaig de tracció
Màquina per a l’assaig de tracció
Propietats mecàniques: assaig de tracció. Esforç unitari
)(/ 2 MPammNA
F
L’esforç unitari (σ) o simplement esforç, és la relació entre la
força F aplicada a un material i la secció A sobre la qual
s’aplica.
També es coneix per tensió –o tensió normal-.
F = Força aplicada en N.
A = Secció inicial del material en mm2.
Propietats mecàniques: assaig de tracció. Allargament unitari
Quan s’aplica un esforç de tracció prou intens a un material, aquest s’allarga i
incrementa la seva longitud.
L’allargament depèn de la
llargària inicial de la peça.
Tot i aplicar la mateixa
força, tenir la mateixa
secció i ser del mateix
material, el valor de
l’allargament és diferent en
cada cas.
En canvi, el valor de
l’allargament unitari és el
mateix en tots els casos.
Propietats mecàniques: assaig de tracció. Allargament unitari
)(0
unitatssenseL
L
100·(%)0L
L
L’allargament unitari e és la relació entre l’allargament
ΔL produït en el material i la llargària inicial L0 que tenia
abans d’aplicar-ne l’esforç de tracció.
L’allargament unitari es pot expressar també en %:
Propietats mecàniques: diagrama de tracció
El diagrama de tracció s’utilitza molt per determinar les característiques
mecàniques dels materials → es realitza a partir dels assaigs de tracció.
En aquests assaigs es fan servir provetes normalitzades i es sotmeten a
esforços de tracció fins a trencar-les.
El diagrama de tracció presenta els esforços unitaris a l’eix d’ordenades i
els allargaments unitaris a l’eix de les abscisses.
Propietats mecàniques: diagrama de tracció
Propietats mecàniques: diagrama de tracció
Propietats mecàniques: diagrama de tracció
pE
Hi ha zones i punts importants d’aquest diagrama que cal destacar:
Zona elàstica (O-A)
En aquesta zona les deformacions produïdes són de tipus elàstic.
S’anomena també zona proporcional, ja que hi ha proporcionalitat entre
els esforços i les deformacions.
Es caracteritza perquè és una línia recta (OA) i en l’extrem superior (el
punt A) se situa el límit de proporcionalitat,σp .
En aquesta zona es compleix la llei de Hooke, i el pendent de la recta
correspon al mòdul elàstic o mòdul de Young, E, del material:
E = Mòdul elàstic o mòdul de Young en MPa.
σp = Esforç unitari en N/mm2 (MPa).
ε = Allargament unitari.
Propietats mecàniques: diagrama de tracció
Zona elàstica (O-A)
pE
pendent de la recta
Propietats mecàniques: diagrama de tracció Zona plàstica (A-E)
Límit elàstic (A-B)
A partir del punt A comencen les deformacions permanents.
Al punt B se situa el límit elàstic, σe → esforç unitari màxim que pot
suportar un material sense experimentar cap deformació permanent.
A la pràctica aquest
valor és molt difícil
d’obtenir i s’admet
com a vàlid el valor
de l’esforç que
produeix una
deformació
permanent del 0,2%
de la llargària
calibrada.
Propietats mecàniques: diagrama de tracció
n
et
Els elements de màquines i estructures es dissenyen amb unes
dimensions que els permetin treballar per sota del seu límit elàstic,
per tal d’evitar deformacions perilloses.
L’esforç unitari màxim que s’utilitza en el disseny d’una peça es
coneix com la tensió màxima de treball.
Aquesta tensió es calcula dividint el límit elàstic per un valor
anomenat coeficient de seguretat, n:
σe = límit elàstic del material
σt = tensió màxima de treball
n = coeficient de seguretat, normalment
entre 1,2 i 4
Propietats mecàniques: diagrama de tracció
Propietats mecàniques: diagrama de tracció
En el tram que va des del límit elàstic, punt B, i fins el punt C, es produeix el
que s’anomena fluència → el material s’allarga sense gairebé incrementar
l’esforç (es diu que flueix). En alguns materials, com l’acer, aquest tram és
gairebé pla.
En el tram entre els
punts C i D,
l’enduriment del
material, provocat per
la deformació, fa que
calgui augmentar
l’esforç o tensió per
continuar deformant
el material
Propietats mecàniques: diagrama de tracció
En aquests trams, les deformacions sempre són permanents i com més dúctil
sigui un material, més àmplia serà aquesta zona.
En canvi, els materials fràgils pràcticament no presenten zona plàstica, i
passen directament de la zona elàstica al trencament.
Propietats mecàniques: diagrama de tracció
Quan s’arriba al punt D comença el trencament de la proveta, tot i que es
disminueix l’esforç aplicat → esforç de trencament (σt): esforç màxim que
pot suportar un material abans de trencar-se
Les deformacions
en aquest tram es
caracteritzen per
la disminució de
la secció →
estricció
Propietats mecàniques: diagrama de tracció
A mesura que s’aprima la proveta, l’esforç necessari per trencar-la disminueix i
la corba decreix, fins que en el punt E, la proveta queda dividida en dos
trossos.
Propietats mecàniques: diagrama de tracció
100·(%)0L
L
Hi ha un valor important de l’allargament i és el que experimenta just en el
moment de trencar-se.
Un cop trencada la proveta, s’uneixen els dos trossos i es mesura la distància
entre les marques de calibratge.
El percentatge de l’allargament és un valor que s’utilitza
per mesurar la ductilitat dels metalls.
Propietats mecàniques: característiques mecàniques dels materials
• Els valors del mòdul elàstic E → indiquen la rigidesa
• Els valors del límit elàstic σe → l’elasticitat
• L’esforç de trencament σt → la resistència mecànica
• El valor de l’allargament ε → la plasticitat del material
Propietats mecàniques: la duresa
• La duresa és la resistència o oposició que presenta un material a ser ratllat o penetrat per un altre material.
• La duresa és deguda a la força de cohesió existents entre els àtoms del material.
Propietats mecàniques: la duresa
• Per comparar i mesurar la duresa s’utilitzen diferents tipus d’assaigs.
• La majoria d’aquests assaigs consisteixen a forçar la penetració d’un objecte de material molt dur (el penetrador) sobre el material a assajar (la mostra o la proveta).
• Com més penetració s’aconsegueixi, aplicant la mateixa força, més tou serà el material que s’està analitzant.
• Un dels mètodes més utilitzats per mesurar la duresa dels metalls és l’assaig Brinell, que està regulat per la norma UNE-EN ISO 6506-1
Propietats mecàniques: la duresa
Assaigs de duresa
Penetració
Brinell
Rockwell
Vickers
Dinàmics
Shore
IRC
Ratllat
Mohs
Willborn
Propietats mecàniques: la duresa A l’assaig de duresa de Brinell els penetradors tenen forma esfèrica. Si
apliquem una força F sobre el penetrador, aquest deixarà una marca circular
de diàmetre d sobre la superfície del material. La duresa Brinell (HB) es
determina amb la següent expressió:
HB = 1,102 F / A, F força aplicada, A superfície de la marca deixada
)22
(
2102.0
dDDD
FHB
on D és el diàmetre de l’esfera penetradora.
En aquesta expressió,
F va en N,
D i d en mm.
S’ha de deixar actuar la força durant un
temps entre 10 i 15 s.
Propietats mecàniques: la duresa
Aparell per mesurar
el diámetre de la
marca deixada
Amb aquest mètode tenim:
Limitacions en el gruix
Limitacions en la mida
Limitacions en la duresa: fins 600HB
La duresa s’indica:
XX HB (D,C,T)
XX Duresa Brinell, D diàmetre bola (mm); C=0,102·F; T Temps (s)
Propietats mecàniques: la duresa
El valor de F no és arbitrari, sinó que s’ha d’ajustar segons un coeficient
de pressió (CP) propi de cada tipus de material (segons la seva duresa):
102.0
2DCP
F
El coeficient de pressió CP ve especificat a la taula següent:
Propietats mecàniques: la duresa. Mètodes d’assaig
Propietats mecàniques: la duresa
Propietats mecàniques: la tenacitat
• Al parlar de resistència hem parlat d’esforç, i s’entén un esforç com una força que s’aplica de forma progressiva. Quan una força s’aplica instantàniament no parlem d’esforç, si no de xoc.
• La tenacitat és la resistència al xoc.
• La tenacitat és contrària a la fragilitat, és a dir, un material fràgil es trenca quan és sotmès a un xoc, i un material tenaç no es trenca. Els materials tenaços són capaços d’absorbir molta energia cinètica en un xoc i transformar-la en deformació –plàstica o elàstica- evitant-ne el trencament.
Propietats mecàniques: la tenacitat. Assaigs de resiliència
• La resiliència és l’energia necessària per trencar un material amb un sol cop.
• L’assaig de resiliència es denomina també assaig de resistència al xoc.
Propietats mecàniques: la tenacitat. Assaigs de resiliència
• La resiliència és una mesura indirecta de la tenacitat.
• ↑ resiliència → ↑ tenaç
• Però la resiliència sola no és suficient per valorar la tenacitat
• Hi ha dues modalitats per assajar la resiliència: el pèndol de Charpy i el d’Izod
Propietats mecàniques: la tenacitat. Assaigs de resiliència
• L’assaig Charpy es realitza amb una màquina que incorpora un pèndol amb una massa de 22 Kg situada al seu extrem.
• A la vertical del punt de gir del pèndol hi ha l’enclusa on es fixa la proveta. En el moment de realitzar l’assaig, es deixa caure el pèndol des de la posició inicial a una alçaria fixa h.
• Un cop impactada la proveta, aquesta es trenca i el pèndol continua el seu recorregut.
• L’alçaria final h´ assolida pel pèndol a la posició final serà inferior a la inicial a causa de l’energia consumida en el trencament de la proveta.
• La diferencia d’alçàries ( h-h’ ) es directament proporcional a la resiliència.
Propietats mecàniques: la tenacitat
Propietats mecàniques: la tenacitat. Assaigs de resiliència
Propietats mecàniques: la tenacitat. Assaigs de resiliència
Les provetes porten mecanitzada una entalla, que te forma
de “V”, que permet que el trencament es produeixi en el punt
desitjat.
La forma i les dimensions de les provetes estan
normalitzades.
Els valors de resiliència es donen en funció de la secció del
material en el punt de trencament.
Propietats mecàniques: la tenacitat
A
EK c
El valor de la resiliència d'un material s'obté amb la següent
expressió:
K = Valor de la resiliència del material en J/mm2
Ec = Energia cinètica consumida en el trencament de la proveta en J
A = Secció de trencament de la proveta en mm2.
Recordem:
Ec = ΔEp = mgh - mgh’ = mg·(h-h’)
Propietats mecàniques: assaig de fatiga
• Mitjançant l’assaig de tracció i de duresa es pot observar el comportament dels materials quan són sotmesos a esforços constants, estàtics.
• A l’assaig de resiliència, en canvi, el material es sotmet a un esforç instantani i dinàmic.
• Els materials, a les seves aplicacions reals, estan sotmesos a esforços estàtics i dinàmics combinats.
• Una peça es pot trencar amb un esforç inferior al seu límit elàstic però que ha estat aplicat repetidament i de manera fluctuant o alternativa.
Propietats mecàniques: assaig de fatiga
• Els esforços que alternen el seu sentit d’aplicació (tracció-compressió, torsió, flexió) de manera repetitiva o cíclica en el temps, s’anomenen esforços de fatiga.
• L’assaig de fatiga intenta reproduir les condicions de treball reals dels materials.
• Un dels més usuals consisteix a sotmetre la proveta a esforços de flexió rotativa (combinació de flexió i torsió) seguint un cicle que es va repetint en el temps.
Propietats mecàniques: assaig de fatiga
Propietats mecàniques: assaig de fatiga
Propietats mecàniques: assaig de fatiga
Diagrama de Wöhler o corba S-N
Resistència a la fatiga: és el valor de
l’amplitud de l’esforç que provoca el
trencament del material després d’un
nombre determinat de cicles
Vida a la fatiga: és el nombre de cicles
de treball que pot suportar un material
per a una determinada amplitud de
l’esforç aplicat
Propietats mecàniques: assaigs no destructius o de defectes
• A vegades cal fer assaigs sobre peces ja fabricades, per fer un control de qualitat o per analitzar les causes dels seu trencament.
• Els assajos no destructius (també anomenats de defectes) són aquells assajos que no deixen marques sobre els materials assetjats i s’apliquen sobre peces elaborades per determinar la presència (o absència) de defectes interns no observables a primera vista –fissures, esquerdes, porus, inclusions...)
• Aquests assajos permeten analitzar les propietats de peces acabades
sense fer-les malbé. • Els assajos no destructius mes importants són dos:
Els assajos magnètics Els assajos per raigs X i raigs Gamma Els assajos per ultrasons
Assaigs no destructius o de defectes: assaigs magnètics
Consisteixen en l’aplicació d’un camp magnètic a la peça que es
vol assajar. Si la peça no té defectes, l’estructura interna serà
homogènia (uniforme) i per tant, la permeabilitat magnètica
(capacitat de concentrar o dispersar les línies de força) serà
constant en tota la seva extensió.
En canvi si la peça té algun defecte la seva estructura no serà
homogènia i els raigs magnètics patiran una desviació allà on hi hagi
el defecte.
Aquest assaig té un inconvenient: només es pot aplicar en els
materials ferromagnètics (metalls fèrrics: acers i foses) que tenen
una permeabilitat magnètica elevada.
Assaigs no destructius o de defectes: assaigs magnètics
Assaigs no destructius o de defectes: assaigs per raigs X i raigs gamma
En materials no ferromgnètics o peces gruixudes.
Tant en els assajos per raigs X com els assajos per raigs gamma el
procediment es el mateix:
S’agafa el material a assajar i se li aplica els raigs X o gamma, que
són uns raigs radiactius que travessen el material que es vol assajar
i queden impressionats a unes plaques fotogràfiques.
Cada substància té un índex d’absorció de la radiació diferent.
Si el material no té defectes la imatge creada a la placa fotogràfica
serà uniforme, en canvi, si el material és defectuós, la imatge que es
crea a la placa no serà uniforme: el lloc de la projecció on es vegi la
taca diferent a la resta serà el lloc on hi ha la deformitat del material.
Assaigs no destructius o de defectes: assaigs per raigs X i raigs gamma
La diferècia entre els raigs X i els raigs γ és que els raigs gamma
són molt més potents que els raigs X i per tant s’utilitza per a
analitzar materials més gruixuts.
Assaigs no destructius o de defectes: assaigs per ultrasons
La tècnica dels assaigs per ultrasons és molt similar a l’ecografia.
Les ones d’ultrasons (f>20000Hz) es reflecteixen, es refracten i es
dispersen davant de canvis en el medi on es propaguen.
Aquestes propietats (en especial la reflexió) són aprofitades per
detectar defectes interns a les peces a avaluar.
Propietats tèrmiques
• La calor és la transferència (flux) d’energia tèrmica entre dos cossos o dues zones d’un mateix cos.
• La temperatura és una de les formes de mesurar l’energia tèrmica d’un cos o d’una substància.
• T(K) = T(ºC) + 273,15
• ΔT(K) = ΔT(ºC)
Recordem:
Propietats tèrmiques
• Les propietats tèrmiques indiquen com es comporta un material davant de la calor.
• Hi ha dues propietats tèrmiques amb importants implicacions tecnològiques: la conductivitat tèrmica i la dilatació.
Propietats tèrmiques: conductivitat tèrmica
• La conductivitat tèrmica és la velocitat de propagació de la calor entre dos punts del material, normalment és sòlid.
• Es defineix també com la facilitat que ofereix un material per permetre el flux d’energia tèrmica a través seu.
• La conductivitat depèn de diversos factors, com el material, la distància(gruix), la secció de l’objecte, la diferència de temperatures inicial i final, i el temps de propagació de la calor.
L
TAtQ
Q = calor, en J.
A = secció de l’objecte, superfície de
contacte entre les masses tèrmiques en m2.
t = temps, en s.
ΔT = increment de temperatura, en ˚C.
L = gruix o distància, en m.
λ = conductivitat tèrmica, en W/m˚C.
Propietats tèrmiques: conductivitat tèrmica
?
231
3
20
20
10·210
1·2
1
0
0
24
24
22
T
Cm
W
st
JQ
JT
mcm
mcmA
mL
CCCT
TTT
C
smCm
W
mJ
At
QLT
L
TAtQ
000
0
0
24
0
3,1643,14420
3,144
3·10·2·231
1·20
Exemple problema:
Tenim un objecte de 1m de llargada i 2 cm2 de secció, a una temperatura
de 20˚C. Apliquem a un dels seus extrems una quantitat de calor de 20J.
Quina serà la temperatura de l’altre extrem un cop han transcorregut 3s?
La conductivitat tèrmica de l’alumini és de 231W/m˚C.
Dades:
Propietats tèrmiques: conductivitat tèrmica
)(·
WL
TAPt
El quocient Q / t s’anomena potència tèrmica (Pt).
Així, la potència tèrmica transmesa:
Propietats tèrmiques: dilatació tèrmica
• La dilatació és el fenomen que provoca l’augment de les dimensions d’un material, especialment els metalls, quan augmenta de temperatura.
• La dilatació depèn: • Del material
• De l’increment de temperatura
• Diferents tipus de dilatacions: • Dilatació lineal → la dilatació és en longitud → α
• Dilatació superficial → la dilatació és en superfície → σ
• Dilatació cúbica → la dilatació és en volum → γ
Propietats tèrmiques: dilatació tèrmica
Propietats tèrmiques: dilatació tèrmica
Esquema d’una protecció tèrmica amb un parell bimetàl·lic
Propietats tèrmiques: dilatació tèrmica
Top Related