Ciencia de Materiales - Tema 3

Tema 3 - Propiedades mecánicas de los materiales

• El tema 3 trata sobre las propiedades mecánicas de los materiales, dentro del área de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica.
• El curso corresponde al curso 2023-2024.

Objetivos

• Definir tensión ingenieril y deformación ingenieril.
• Definir la ley de Hooke e identificar sus condiciones.
• Definir el coeficiente de Poisson y calcular las deformaciones transversales a partir de deformaciones axiales en tracción o compresión.
• Analizar la curva de tensión-deformación para determinar el módulo de elasticidad, el límite elástico convencional, la resistencia a tracción y la deformación remanente.
• Describir y calcular la ductilidad a través del porcentaje de elongación y la reducción de área.
• Definir y calcular los módulos de resiliencia y tenacidad.
• Describir ensayos de dureza (Brinell, Rockwell, Vickers y Knoops) y relacionarlos con la resistencia a tracción de los aceros.
• Describir los ensayos de impacto Charpy e Izod y la temperatura de transición dúctil-frágil.
• Utilizar unidades correctas de fuerza, tensión, desplazamiento, deformación y energía.
• Dimensionar componentes mecánicos sometidos a tracción, aplicando coeficiente de seguridad.

Contenidos

• Introducción a los ensayos mecánicos.
• Ensayos mecánicos: Tracción, Compresión, Flexión, Cizalladura/Torsión y Dureza.

Introducción

• Los materiales pueden estar sometidos a tensiones mecánicas en servicio.
• Se deben determinar si el comportamiento es adecuado.

Introducción. Definiciones

• Tensión ingenieril: Fuerza aplicada por unidad de superficie. (σ = F/A)
• Deformación ingenieril: Variación dimensional resultante de la fuerza aplicada.
• Distinguir entre deformaciones elástica y plástica.

Introducción. Definiciones (Continuación)

• Comportamiento elástico (la deformación es proporcional y reversible).
• Comportamiento elástico + plástico (la deformación es irreversible).
• Comportamiento viscoelástico (la deformación depende del tiempo).

Ensayos mecánicos

• Los ensayos mecánicos reproducen las condiciones de servicio (tipo de cargas, duración, forma de aplicación y condiciones del medio).

Tipos comunes de esfuerzos

• Tracción
• Compresión
• Flexión
• Cizalla
• Torsión

Parámetros mecánicos

• Tracción: Comportamiento elástico y plástico.
• Compresión
• Flexión
• Cizalladura/Torsión

Ensayo de tracción

• Aplicación de una fuerza axial sobre una probeta.
• Medidas: esfuerzo/tensión y deformación.
• Equipo habitual: extensómetro, célula de carga y cabezal móvil.
• Muestra habitual, geometrías: redonda y rectangular.
• Detalles del equipo: las mordazas y el extensómetro.
• Método de ensayo (ASTM E-8): fijar la probeta, colocar extensómetro, desplazamiento a velocidad constante y registrar fuerza/deformación.

Tipos de probetas

• Redonda
• Rectangular

Progreso típico de un ensayo de tracción (metal dúctil)

• Etapas de un ensayo de tracción.

Ensayo de tracción: Aluminio 2024-T81 (Ejemplo)

• Curva de tensión-deformación (gráfico).

Ensayo de tracción: Zonas

• Zona lineal (deformación elástica).
• Zona no lineal (deformación plástica).
• Rotura.

Deformación elástica

• Ciclo de carga: Aumenta la deformación, proporcional a la tensión.
• Ciclo de descarga: La deformación desaparece cuando cesa la tensión; es reversible.

Deformación elástica: Ley de Hooke

• Tensión proporcional a la deformación. (σ = Eε).
• E: módulo de elasticidad (Young), expresa rigidez/elasticidad.

Deformación elástica: módulo de elasticidad E

• Obtención del módulo de elasticidad a partir de la gráfica de tensión vs. deformación.

Comparación entre módulos de Young

• Resumen de los módulos de Young en distintos materiales.

Comparación entre módulos de Young (Continuación)

• Relación del módulo de Young con la temperatura de fusión (gráfico).

Deformación elástica lateral. Coef. Poisson v

• Definición del coeficiente de Poisson.
• Relación entre deformaciones laterales y axiales.

Coeficiente de Poisson

• Valores típicos de v para metales, cerámicas y polímeros.
• Unidades: E: [Pa], ε, v: adimensionales

Deformación plástica

• Tensión no proporcional a la deformación.
• Distanciamiento de los átomos.
• Deformación permanente.

Parámetros deformación plástica

• Fluencia y límite elástico (gráfico).

Fluencia y límite elástico

• Definición de la fluencia como transición elasto-plástica.
• Definición del límite elástico convencional (0.2% de deformación plástica).

Comparación entre límites elásticos

• Comparación entre límites elásticos de distintos tipos de material.

Parámetros deformación plástica (Repetición)

• Fluencia y límite elástico
• Resistencia a tracción
• Ductilidad
• Tenacidad

Resistencia a la tracción (Tensile strength)

• Definición de resistencia a tracción (UTS).
• Relación entre resistencia a tracción y la probeta.

Resistencia a la tracción (Continuación)

• Resistencia a la tracción en distintos tipos de materiales (metales, cerámicas, polímeros).
• Comparación entre métodos.

Comparación entre resistencias a tracción

• Gráfica comparativa de resistencia a tracción en varios materiales.

Tensión y deformación verdaderas

• Tensión verdadera en un diagrama tensión-deformación.
• Diferencias entre tensión ingenieril y verdadera

Parámetros deformación plástica (Repetición)

• Fluencia y límite elástico
• Resistencia a tracción
• Ductilidad
• Tenacidad

Ductilidad

• Definición de ductilidad.
• Métodos para determinar la ductilidad: alargamiento relativo porcentual y porcentaje de reducción de área.

Ductilidad: efecto de la temperatura

• Efecto de la temperatura en la ductilidad (gráfico).

Comparación de materiales según su ductilidad

• Tipos de materiales según su ductilidad (gráfico).

Ductilidad

• Importancia de la ductilidad desde el punto de vista del diseño.
• Materiales frágiles.

Deformación plástica: Tenacidad

• Definición de tenacidad como la capacidad para absorber energía antes de la fractura.
• Cálculo del área bajo la curva tensión-deformación.

Tipos de materiales según su tenacidad

• Clasificación de materiales de acuerdo a su tenacidad.

Resumen parámetros de tracción

• Resumen de los parámetros importantes en un ensayo de tracción.

Ensayo de compresión

• Descripción del ensayo de compresión.
• Comparación con el ensayo de tracción.

Ensayo de flexión

• Descripción del ensayo de flexión.

Ensayo de cizalladura

• Descripción del ensayo de cizalladura y los diferentes tipos de esfuerzo cortante que actúan.

Ensayo de torsión

• Descripción del ensayo de torsión.

Ensayo de dureza

• Generalidades de los ensayos de dureza.

Ensayos de dureza: Brinell

• Descripción del ensayo Brinell.

Ensayo de dureza: Vickers

• Descripción del ensayo Vickers.

Ensayo de dureza: Rockwell

• Descripción del ensayo Rockwell.

Ensayo de dureza: Shore

• Descripción del ensayo Shore.

Ensayos de microdureza

• Descripción de los ensayos de microdureza.

Introducción a la conversión entre escalas de Dureza.

• Problema: Tablas y gráficos no generalizados, elaborados a partir de la información de ciertos materiales (normalmente, metales)

Dureza. Relación con propiedades mecánicas

• Correlación entre dureza y las propiedades mecánicas (tensión, límite elástico y ductilidad) en los aceros.

Durezas de algunos materiales

• Tablas con las durezas de diferentes tipos de materiales (metales, cerámicas y polímeros).

Palabras clave

• Resumen de las palabras clave.

Actividades complementarias

• Sugerencias para actividades adicionales (video y lectura).