Hola!!! Aquí encontraras varios temas de tu importancia...

24 de marzo de 2011

Propiedades mecanicas de los materiales


Propiedades Mecánicas de los materiales

Las propiedades mecánicas de los materiales son de vital importancia para los ingenieros ya que con el conocimiento de estas se puede diseñar elementos con los materiales adecuados lo que significa un ahorro en el proceso de manufactura y una protección cuando el material está sometido a esfuerzos específicos. 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 compresión como los que sufren las columnas de los puentes, edificios, casas, etc. Pero el concreto sometido a tensión tiene pobres propiedades mecánicas por lo que no se ven estructuras colgantes sostenidas con concreto. En cambio el acero es un muy buen material para trabajar a tensión 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 compresión, en vez de comprimirse, el acero se flexiona causando que la viga deje de funcionar como se desea. Entonces las propiedades mecánicas 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.
 
Esfuerzo:

Propiedades y concepto
Las fuerzas internas de un elemento están ubicadas dentro del material por lo que se distribuyen en toda el área; justamente se denomina esfuerzo a la fuerza por unidad de área, la cual se denota con la letra griega sigma (σ) y es un parámetro que permite comparar la resistencia de dos materiales, ya que establece una base común de referencia.

δ=P/A
Donde:         P= Fuerza axial;  A= Área de la sección transversal


Unidades
El esfuerzo utiliza unidades de fuerza sobre unidades de área, en el sistema internacional (SI) la fuerza es en Newton (N) y el área en metros cuadrados (m2), el esfuerzo se expresa por N/m2 o pascal (Pa). Esta unidad es pequeña por lo que se emplean múltiplos como es el kilo pascal (kPa), mega pascal (MPa) o gigapascal(GPa). En el sistema americano, la fuerza aes en libras y el área en pulgadas cuadradas, así el esfuerzo queda en libras sobre pulgadas cuadradas(psi).Particularmente en Venezuela la unidad más empleada es el kgf/cm2 para denotar los valores relacionados con el esfuerzo. (Beer  y Johnston, 2009

Deformación
Propiedades y concepto
La resistencia del material no es el único parámetro que debe utilizarse al diseñar o analizar una estructura; controlar las deformaciones para que la estructura cumpla con el propósito para el cual se diseñó tiene la misma o mayor importancia. El análisis de las deformaciones se relaciona con los cambios en la forma de la estructura que generan las cargas aplicadas. Una barra sometida a una fuerza axial de tracción aumentara su longitud inicial; se puede observar que bajo la misma carga pero con una longitud mayor este aumento o alargamiento se incrementará también. Por ello definir la deformación (ε)como el cociente entre el alargamiento δ y la longitud inicial L, indica que sobre la barra la deformación es la misma porque si aumenta L también aumentaría δ .Matemáticamente la deformación sería

ε = δ/L
Al observar esta ecuación se obtiene que la deformaciones un valor adimensional siendo el orden de magnitud en los casos del análisis estructura alrededor de 0,0012, lo cual es un valor pequeño (Beer y Johnston, 2009)

La ley de HOOKE
La relación lineal entre el esfuerzo y la deformación unitaria para una barra en tensión o compresión es

δ = Eε
En donde σ es el esfuerzo axial, ε es la deformación unitaria axial y E es una constante de proporcionalidad conocida como módulo de elasticidad del material. El modulo de elasticidad es la pendiente del diagrama de esfuerzo –deformación unitaria en la región linealmente elástica. Entonces la ecuación anterior se conoce como la ley de Hooke, que dice que el esfuerzo es proporcional a la deformación unitaria y la constante de proporcionalidad es el módulo de elasticidad del material

Ensayos de Tracción y Compresión
Los ensayos de tracción son las pruebas que se les realiza a distintos materiales para conocer sus propiedades mecánicas. Para la tracción se coloca una probeta del material en una maquina que aplica fuerzas axiales estirando al material y ya sea con un medidor externo a la máquina o con los sensores de las maquinas modernas, se registra la deformación con lo que se puede realizar un diagrama de esfuerzo – deformación unitaria. En la compresión es un proceso similar únicamente que las fuerzas axiales ya no son de tensión si no que de compresión. Así se comprime el material y se toman medidas de la deformación con la que se puede calcular el modulo de elasticidad y otras propiedades como el modulo de corte y la relación de Poisson

Diagrama Esfuerzo-Deformación Unitaria

Como se explicó anteriormente, el diagrama de esfuerzo-deformación se traza a partir de mediciones de los ensayos de tracción y compresión. En el eje y se tiene el esfuerzo calculado por la relación de fuerza sobre el área de sección y en el eje x se tiene la deformación unitaria. La primera parte de la trayectoria del diagrama que es cuando es lineal se conoce como la parte plástica, la segunda se conoce como límite de fluencia (donde es aproximadamente horizontal), la tercera se conoce como el límite de elasticidad, el punto más alto en la gráfica se define como el esfuerzo máximo y cuando empieza a bajar se le llama el esfuerzo último.
Deformación Plástica
La deformación plástica es la que se da en la región plástica que se definió anteriormente en el diagrama de esfuerzo-deformación. Esta región tiene la particularidad que si la deformación no pasa de la región plástica, el material regresa a su tamaño original sin ninguna alteración. Si la deformación supera el límite de elasticidad se produce una deformación permanente en el material y la trayectoria de regreso a su forma original es una línea paralela a la de la región plástica.
Esta deformación se da en los materiales dúctiles que son los que se deforman antes de fracturarse y también se puede dar en una escala microscópica en materiales frágiles como lo es el vidrio y los cerámicos.
Propiedades de Tracción
La mayoría de las estructuras se diseñan para que les ocurra una deformación elástica cuando estas son sometidas a tensión. Por dicha razón es deseable conocer el nivel de tensiones para el cual empieza la deformación plástica, es decir, cuando comienza el fenómeno de fluencia. Para los metales que experimentan la transición elastoplástica de forma gradual, el punto de fluencia puede determinarse como la desviación inicial de la linealidad de la curva tensión-deformación; este punto se denomina a menudo límite de proporcionalidad, y está indicado como P 

Por este motivo se ha establecido una convención por la cual se traza una recta paralela a la línea elástica del diagrama de la tensión-deformación desplazada por una determinada deformación, usualmente 0.002. La tensión corresponde a la intersección de esta línea con el diagrama tensión-deformación cuando éste se curvase denomina limite elástico.

Esto igualmente se puede observar en la figura mostrada (figura a).Para los materiales que tienen un región elástica no lineal, no se puede utilizar el procedimiento anterior para encontrar el limite elástico, y lo que se hace es definir el limite elástico como la tensión necesaria para producir una determinada deformación plástica (ej.: δ = 0.005).

Algunos aceros y otros materiales exhiben el tipo de diagrama tensión-deformación mostrado en la parte b de la figura mostrada. La transición elastoplástica está muy bien definida y ocurre de forma abrupta y se denomina fenómeno de discontinuidad del punto de fluencia. En el límite de fluencia superior, la deformación plástica inicia con una disminución de la tensión. La deformación prosigue bajo una tensión que fluctúa ligeramente alrededor de un valor constante, denominado punto de fluencia inferior. En los metales en que ocurre este fenómeno, el límite elástico se toma como el promedio de la tensión asociada con el límite de fluencia inferior. La magnitud del límite elástico de un metal es una medida de su resistencia a la deformación plástica. Los límites elásticos están comprendidos entre 25 MPa (5000 psi) para un aluminio de baja resistencia hasta valores superiores a 1400 MPa (200000 psi) para aceros de alta resistencia


Resistencia a la tracción
Después de iniciarse la deformación plástica, la tensión necesaria para continuar la deformación en los metales aumenta hasta un máximo 
La resistencia a la tracción, con dimensiones de MPa o psi, es la tensión en el máximo del diagrama tensión-deformación (TS)
Esto corresponde a la  máxima tensión que puede ser soportada por una estructura a tracción; si esta tensión es aplicada y mantenida, se producirá la rotura. Hasta llegar a este punto, toda la deformación es uniforme en la región estrecha de la probeta. Sin embargo, cuando se alcanza la tensión máxima, se empieza a formar una disminución localizada en el área de la sección transversal en algún punto de la probeta, lo cual se denomina estricción o cuello, y toda la deformación subsiguiente esta confinada en la estricción tal como e indica esquemáticamente en la figura mostrada. La fractura ocurre en la estricción. La tensión de fractura o bien de rotura corresponde a la tensión en la fractura. Las resistencias a la tracción pueden variar entre 50 MPa (7000 psi) para un aluminio hasta valores tan altos como 3000 MPa (450000 psi) para aceros de alta resistencia. Generalmente cuando se menciona la resistencia de un metal para propósitos de diseño se indica el límite elástico. Esto se debe a que cuando se  alcanza la resistencia a la tracción, la deformación plástica que habría sufrido el material sería tan grande que ya no sería útil. Además, la resistencia a la fractura no se indica usualmente en el diseño en ingeniería.

Ductilidad
La ductilidad es una propiedad de algunos metales y aleaciones que nos permite, bajo la acción de fuerzas, estirar el metal o aleación sin llegar a romperlo. Los metales y aleaciones que cumplen con esta propiedad se les conocen bajo el nombre de “dúctiles”. Es decir, los materiales dúctiles son aquellos que al aplicarles una fuerza pueden llegar a deformarse grandes cantidades sin llegar a romperse y los materiales no-dúctiles 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 condición que el hilado de los metales y aleaciones se hace en frio y en consecuencia este se vuelve duro y frágil, necesitando un recosido para recuperar sus propiedades. La ductilidad de un material se observa por la disminución con relación a la inicial. El coeficiente de ductilidad puede variar entre los valores de 1 y 2 y se obtiene mediante la siguiente expresión:
Donde S es la sección inicial y S’ es la sección de la rotura
Un material no dúctil posee una grafica de esfuerzo-deformación de la siguiente forma:

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

Donde se puede observar como el material al sobrepasar su límite de elasticidad aun permite una deformación pero en este caso será una deformación permanente, es decir, cuando se le quite la fuerza que está causando esta deformación, se comportara como en el estado elástico pero presentara una deformación permanente.
 
Es importante no confundir un material dúctil con un material blando, ya quela ductilidad es una propiedad que como tal se manifiesta una vez que el material está soportando una fuerza considerable; es decir, mientras la carga sea pequeña, la deformación también lo será, pero alcanzado cierto punto el material cede, deformándose en  mayor cantidad de lo que lo había hecho hasta entonces pero sin llegar a romperse

Resilencia
La resilencia es una propiedad de los materiales para absorber energía elástica mientras el material está sometido a una fuerza que produce una deformación. Esta energía 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 suposición inicial cuando se le quita la fuerza que generaba una deformación. En cuanto a ingeniería, es de vital importancia el conocer y manejar el termino de modulo de resilencia
El modulo de resilencia es el parámetro medible en un material que es la energía de deformación por unidad de volumen que se necesita para deformar un material hasta llegar a su límite elástico (medido en Jules por metro cubico).En una curva de ensayo de tracción, entre la deformación nula y la deformación correspondiente al esfuerzo de fluencia, la resilencia corresponde al el área bajo la curva de la grafica.
Tenacidad
La tenacidad es la energía total que absorbe un material antes de alcanzar fracturarse. Esta energía es absorbida por el material debido a la deformación que tiene. Los materiales que tienen una alta tenacidad tienen muchas aplicaciones como lo son los automóviles que tienen que absorber la energía de un impacto para proteger a los pasajeros

Dureza
La dureza es una propiedad mecánica de los materiales que consiste en la dificultad que existe para rayar o crear marcas en la superficie mediante micro penetración de una punta.

 
En metalurgia la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza. El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la correlación  existente entre la dureza y la resistencia mecánica, siendo un método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo que su uso está muy extendido. Hasta la aparición de la primera máquina Brinell para la determinación de la dureza, ésta se medía de forma cualitativa empleando una lima de acero templado que era el material más 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

No hay comentarios:

Publicar un comentario en la entrada