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## Propiedades mecánicas de los materiales Las propiedades mecánicas de los materiales definen el comportamiento de los metales en su utilización industrial. Las más importantes son las siguientes: - Elasticidad: es la capacidad que tienen los materiales de recuperar la forma primitiva cuando ces...

## Propiedades mecánicas de los materiales Las propiedades mecánicas de los materiales definen el comportamiento de los metales en su utilización industrial. Las más importantes son las siguientes: - Elasticidad: es la capacidad que tienen los materiales de recuperar la forma primitiva cuando cesa la carga que los deforma. Si se rebasa el límite elástico, la deformación que se produce es permanente. - Plasticidad: es la capacidad que tienen los materiales de adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura. Cuando esta deformación se presenta en forma de láminas, se denomina maleabilidad y, si se presenta en forma de filamentos, ductilidad. - Cohesión: es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse, y depende del enlace de estos. Los átomos de los metales se pueden separar ligeiramente, de ahí su elasticidad. - Dureza: es la mayor o menor resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados y depende de la cohesión atómica. - Tenacidad: es la capacidad de resistencia a la rotura por la acción de fuerzas exteriores. - Fragilidad: es la propiedad opuesta a la tenacidad; el intervalo plástico es muy corto y, por tanto, sus límites elástico y de rotura están muy próximos. - Resistencia a la fatiga: es la resistencia que ofrece un material a los esfuerzos repetitivos. - Resiliencia: es la energía absorbida en una rotura por impacto. ### Medida de las propiedades mecánicas Las propiedades mecánicas se pueden cuantificar y medir a través de diferentes ensayos industriales mediante los cuales se pueden determinar las características técnicas de los materiales. Estos ensayos se clasifican según tres criterios básicos: | Ensayo | Descripción | | - | - | | Ensayos técnicos de control | Son aquellos que se realizan durante el proceso productivo. Se caracterizan por su rapidez y simplicidad, y, al mismo tiempo, han de ser exactos, fieles y prácticos. | | Ensayos científicos | Son aquellos que se realizan para investigar las características técnicas de nuevos materiales. Se caracterizan por su gran precisión, aunque, en este caso, no importa tanto la rapidez que exigen los procesos de producción. | Ensayos destructivos | Los materiales sometidos a este tipo de experimentos ven alterada su forma y su presentación inicial. | | Ensayos no destructivos | Los materiales sometidos a este tipo de pruebas no ven alterada ni su forma ni la presentación inicial. | | Ensayos químicos | Permiten conocer la composición química cualitativa y cuantitativa del material, así como su comportamiento ante los agentes químicos. | | Ensayos metalográficos | Con la ayuda del microscopío metalográfico, se estudia la estructura interna del material, lo que permite conocer los tratamientos térmicos y mecánicos que este ha sufrido. | | Ensayos físicos y fisicoquímicos | Mediante este tipo de ensayos se determinan las propiedades físicas (densidad, punto de fusión, calor específico, conductividad térmica y eléctrica, etc.) así como las imperfecciones y malformaciones, tanto internas como externas. | | Ensayos mecánicos | Determinan las características elásticas y de resistencia de los materiales sometidos a esfuerzos o deformaciones análogas a las que se presentan en la realidad. En este grupo se realizan ensayos estáticos de tracción, compresión, cizalladura, flexión y torsión; ensayos de dureza; ensayos de choque o dinámicos; ensayos de fatiga y fluencia; ensayos tecnológicos de plegado, doblado, embutición, forjado, etc. | ## Tensión y Deformación Consideremos una varilla cilindrica de longitud $l_0$ y una sección $A_0$, sometida a una tensión uniaxial F de tracción. Definiremos tensión como el cociente entre la fuerza de tracción uniaxial F y la sección transversal $A_0$ de la varilla: $\sigma = \frac{F}{A_0}$ La unidad de tensión en el Sistema Internacional es el pascal: 1 Pa = 1 N/m². Cuando se aplica a una varilla una fuerza de tracción uniaxial, se provoca un alargamiento o elongación de esta en la dirección de la fuerza. Este desplazamiento se llama deformación. Por definición, deformación en ingeniería (ε) es el cociente entre el cambio de longitud en la dirección de la fuerza y la longitud original considerada: $\epsilon = \frac{l - l_0}{l_0} = \frac{\Delta l}{l_0}$ donde: $l_0$: longitud inicial de la muestra. $l$: nueva longitud de la muestra después de haber sido alargada por una fuerza de tracción uniaxial. $\Delta l$: variación de la longitud de la muestra. La unidad para la deformación en el Sistema Internacional de unidades es metro partido por metro (m/m). De este modo, la deformación resulta una magnitud adimensional. En la práctica industrial, es habitual convertir la deformación en un porcentaje de deformación o porcentaje de alargamiento: % deformación = Deformación x 100 = % alargamiento ## Análisis de un diagrama de tracción Los resultados obtenidos en la realización de un ensayo de tracción se representan en una gráfica en la que se reflejan los valores de las deformaciones (alargamientos) producidas ($\Delta l$) en el eje de abscisas y las fuerzas de tracción aplicadas (F) en el eje de ordenadas. Cada material presenta una gráfica de tracción característica con las siguientes particularidades: - Una zona donde las deformaciones son proporcionales a las tensiones de tracción que las producen. - Una zona donde, a pequeñas variaciones de tensiones aplicadas, se generan grandes deformaciones, que son, por tanto, no proporcionales. Esta información, aun siendo útil, no es suficiente desde el punto de vista práctico. En consecuencia, se hace necesario un cambio de escala en abscisas y ordenadas, de tal manera que obtengamos una curva que relacione las tensiones de una sección transversal con las deformaciones relativas a la longitud inicial, llamadas alargamientos unitarios. **Eje de abscisas:** $\epsilon = \frac{\Delta l}{l_0}$ **Eje de ordenadas:** $\sigma = \frac{F}{A_0}$. ## Ley de Hooke Las tensiones aplicadas sobre un elemento resistente son directamente proporcionales a las deformaciones producidas, dentro del comportamiento elástico de los materiales. La *ley de Hooke* tiene un carácter general, pero se aplica preferentemente al ensayo de tracción, al ser el más representativo de todos ellos. Según esta ley, las deformaciones producidas en un elemento resistente son proporcionales a las tensiones que las producen. Matemáticamente, se puede enunciar mediante la ecuación $\frac{Tensión}{Deformación}= Constante= tanα$ Ya conocemos que en la representación gráfica de un ensayo de tracción existe la llamada *zona de proporcionalidad*, que abarca desde el origen de coordenadas hasta el límite de proporcionalidad y se representa por una recta. En este caso, las fuerzas aplicadas se refieren a las fuerzas de tracción (F) y a las deformaciones producidas en los alargamientos ($\Delta l$ ) de tal forma que se cumple: $\frac{F}{\Delta l}= Constante = tan\alpha_1= Constante$ Si se aplica en el diagrama $\frac{F}{A_0}= \sigma$ y $\frac{\Delta l}{l_0}= \epsilon$, se obtiene: $\frac{\sigma}{\epsilon}=Constante=E$ En esa representación, el valor de $tan \alpha$, se conoce como *módulo elástico* o *módulo de Young* (E), que representa la pendiente de la curva tensión-deformación en la región elástica. Es un parámetro característico de cada material y se mide en kilopondios por centímetro cuadrado (kp/cm²), kilopondios por milímetro cuadrado (kp/mm²) o newtons por metro cuadrado (N/m²), como $\sigma$, ya que $\epsilon$ es adimensional. De esta forma, podemos definir la *ley de Hooke en la tracción* como sigue:* *Los alargamientos unitarios (deformaciones) son proporcionales a las tensiones que los producen, cuya constante de proporcionalidad es el módulo elástico.* Matemáticamente, se expresa de la siguiente forma: $E=\frac{\sigma}{\epsilon}$ Sustituyendo: $\sigma = \frac{F}{A_0}$ y $\epsilon = \frac{\Delta l}{l_0}$, obtenemos la ecuación fundamental de la tracción, $que solo es aplicable en la zona de proporcionalidad, ya que, una vez rebasado dicho límite, el comportamiento no es lineal.$ $E= \frac{F l_0}{A_0 \Delta l}$ ## Tensiones máximas de trabajo Cuando se plantea el diseño de una pieza o elemento simple de una estructura, debemos tener presente el diagrama de las fuerzas que actúan sobre dicha pieza o elemento para determinar que no sobrepase el límite elástico. Para solucionar este tipo de problemas, la normativa establece una *tensión máxima de trabajo* ($\sigma$t), que definiremos como el límite de carga al que podemos someter una pieza o elemento simple de estructura. Cuantitativamente, el valor de esta tensión es inferior a la tensión correspondiente al límite de proporcionalidad. A la hora de diseñar una pieza o elemento se debe tener en cuenta la tensión de seguridad. Para garantizar que un material va a trabajar en la zona elástica, se aplica un coeficiente de seguridad, de modo que la tensión de trabajo siempre debe ser inferior a la tensión del límite elástico $\sigma$e (n puede valer entre 1,2 y 4,0). Esta tensión siempre es inferior a la del límite de proporcionalidad. $\eta = \frac{\sigma_t}{\sigma_e}$ ## Ensayos de Dureza La dureza es la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro. La *propiedad mecánica* que se determina a través de los ensayos de dureza es la *cohesión*. Entre las técnicas cuantitativas para determinar la dureza de los materiales, se encuentran los *ensayos de penetración*. Se basan en un pequeño penetrador que es forzado sobre la superficie del material a ensayar en condiciones controladas de carga y velocidad de aplicación. En estos ensayos se mide la profundidad o el tamaño de la huella resultante. Las durezas así medidas tienen solamente un significado relativo (no absoluto), y es necesario tener precaución al comparar las durezas obtenidas por técnicas distintas. La dureza, por definición, es una propiedad de la capa superficial del material, y no una propiedad del material en sí. Los métodos de determinación de la dureza usando penetradores presuponen la presencia de esfuerzos de contacto y, por lo tanto, la dureza puede ser cuantificada dentro de una escala ### Ensayo Brinell Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, contra el material que se va a ensayar, por medio de una carga (F) y durante un tiempo determinado. La dureza Brinell se muestra gráficamente en función de la carga aplicada y del área del casquete de la huella, según la ecuación: $HB = \frac{F}{S}$ donde: HB = dureza en grados Brinell. F = carga aplicada (kg). S = área del casquete (mm²). La superficie del casquete de la huella es: $S=\pi Df$ donde: D = diámetro de la bola (mm). f = profundidad de la huella (mm). Para determinar f partimos de la relación entre el diámetro de la bola D y el diámetro de la huella d: $\big( \frac{D}{2} \big)^2 - \big( \frac{d}{2} \big)^2 = \big( \frac{D}{2} - f \big)^2$ $f= \frac{D^2-d^2}{2D}$ Con este valor, podemos obtener la superficie de la huella en función de los diámetros de la bola y de la huella: $S= \pi \big( D- \sqrt{D^2-d^2} \big)d$ Por tanto, la dureza Brinell se puede calcular de la siguiente forma: $HB=\frac{2F}{\pi d(D-\sqrt{D^2-d^2})}$ Generalmente, no se calcula la dureza Brinell aplicando la fórmula, sino por medio de tablas en las que, conocido el diámetro de la huella, se encuentra directamente el valor de la dureza. ### Ensayo Vickers Para este ensayo, el penetrador que se utiliza es una pirámide regular de base cuadrada, cuyas caras laterales forman un ángulo de 136°. Se recomienda utilizar este ensayo para durezas superiores a 500 HB. Presenta ventajas respecto al ensayo anterior, porque se puede usar tanto para materiales duros como blandos y, además, los espesores de las piezas pueden ser muy pequeños (hasta 0,05 mm). Las cargas que se utilizan son muy pequeñas, de 1 a 120 kg, aunque lo normal es emplear 30 kg. El grado de dureza Vickers (HV) se obtiene de modo similar al Brinell: $HV=1,8453 \frac{F}{d^2}$ donde: HV = dureza en grados Vickers. F = carga aplicada sobre el penetrador (pirámide), en kp. $d$ = diagonal de la huella, en mm. ### Ensayo Rockwell El método Brinell no permite medir la dureza de los aceros templados, porque se deforman las bolas. Para evitar este hecho, se utiliza la máquina Rockwell, que se basa también en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados. No obstante, a diferencia de los anteriores, se determina la dureza en función de la profundidad de la huella. Se trata de un ensayo muy rápido y fácil de realizar, pero menos preciso que los anteriores. Es válido para materiales blandos y duros. Se utiliza un penetrador en forma de bola para materiales blandos, con lo que se obtiene el grado de dureza Rockwell bola (HRB), o bien con un cono de diamante de 120° para materiales duros, del que resulta el grado de dureza Rockwell cono (HRC). ## Ensayo de resiliencia *El objetivo del ensayo es conocer la energía que puede absorber un material al recibir un choque o impacto sin llegar a romperse de un solo golpe. La máquina más utilizada es el péndulo de Charpy,* que consta de un brazo giratorio con una maza en su extremo, que se hace incidir sobre la probeta provocando su rotura. Las probetas están normalizadas, tienen una sección cuadrada y en el punto medio están entalladas en forma de U o de V. El péndulo de masa *m* se encuentra a una altura inicial H, por lo que tiene una determinada energía potencial antes de iniciar el ensayo. Al liberar el péndulo, golpea la probeta y la rompe, y continúa con su giro hasta alcanzar una altura final *h* con una nueva energía potencial, como se puede ver en el esquema. La energía que ha absorbido la probeta durante su rotura será la diferencia de energías potenciales inicial y final. La resiliencia se obtiene de la siguiente forma: $\rho = \frac{\Delta E}{S} = \frac{m\cdot g\cdot (H-h)}{S}$ donde: $\rho$ = resiliencia. $E_i$ = energía potencial. $H$= altura inicial. $h$= altura final. $S$= sección de la probeta. ## Ensayos de Fatiga Cuando determinadas piezas están sometidas a esfuerzos variables en magnitud y sentido que se repiten con cierta frecuencia, se pueden romper con cargas inferiores a las de rotura, incluso cuando se trabaja por debajo del límite elástico, *siempre que las cargas actúen durante un tiempo suficiente*. A este fenómeno se le conoce con el nombre de fatiga. *Las leyes fundamentales de la fatiga son las siguientes:* 1. Las piezas metálicas pueden romperse *bajo esfuerzos unitarios inferiores a su carga de rotura, e incluso a su límite elástico,* si el esfuerzo se repite un número suficiente de veces. 2. Para que la rotura no tenga lugar, con independencia del número de ciclos, es necesario que la diferencia entre la carga máxima y la mínima sea inferior a un determinado valor, llamado *límite de fatiga.* *Los ensayos de fatiga más habituales son los de flexión rotativa y torsión.* ## Aleaciones Hierro-Carbono El hierro puro tiene muy pocas aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el carbono y otros elementos es el metal más empleado en la industria moderna. La aleación fundamental es la de hierro-carbono. Por eso, su estudio resulta fundamental en la tecnología del hierro. Como todas las aleaciones, está caracterizada por la composición química, los constituyentes y las estructuras. Las aleaciones con contenidos de carbono comprendidos entre 0,10 y 1,76% tienen unas propiedades y utilidades muy definidas, en el denominado campo de los aceros. Los aceros, a su vez, pueden alearse con otros elementos, formando los aceros aleados o especiales. Si el porcentaje de carbono sobrepasa el 1,76%, las aleaciones hierro-carbono se llaman fundiciones. La máxima proporción de carbono que una aleación puede disolver es 6,67%, compuesto denominado cementita (Fe₂C puro). ### Constitución de las aleaciones Fe-C Las aleaciones están formadas por constituyentes cuya naturaleza varía en función de la concentración de sus componentes químicos y la temperatura. Los constituyentes más representativos son los siguientes: **a) Ferrita: **es una solución sólida de carbono en hierro α. Cristaliza en BCC. Su solubilidad es tan pequeña a temperatura ambiente que disuelve como máximo el 0,008% de carbono. Por esta razón se considera la ferrita como hierro puro. Es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. *Tiene una dureza de 90 HB* y una resistencia a la rotura de 28 kp/mm², puede sufrir alargamientos de entre el 30 y el 40% y posee propiedades magnéticas. **b) Cementita (Fe₂C):** es el constituyente más duro y frágil de los aceros; puede alcanzar una dureza de 800 HB. *Tiene propiedades magnéticas hasta los 210 °C* (a partir de esta temperatura, las pierde). Cristaliza en redes ortorrómbicas. **c) Perlita: **constituyente formado por un 86,5% de ferrita y un 13,5% de cementita. *Tiene una dureza de 200 HB,* una resistencia a la rotura de 80 kp/mm² y un alargamiento del 15%. Presenta estructura laminar si el enfriamiento ha sido lento (perlita laminar) y más borrosa si el enfriamiento es más brusco (perlita sorbítica). Si calentamos la perlita laminar hasta una temperatura de 723 °C, la cementita adquiere forma de glóbulos incrustados en la masa de la ferrita (perlita globular). **d) Austenita:** está formada por una solución sólida por inserción de carbono en hierro γ. Cristaliza en FCC. La proporción de carbono disuelto varía del 0 al 1,76%. *Es el constituyente más denso de los aceros.* Está formada por cristales cúbicos de hierro γ, donde los átomos de carbono están intercalados en las aristas y en el centro. *Puede alcanzar una dureza de 300 HB, una resistencia de 100 kp/mm² y un alargamiento de un 30%*. No es magnética. **e) Martensita:** tras la cementita, es el constituyente más duro de los aceros. *Es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro* α. Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita de los aceros, después de haber sido calentada para conseguir una constitución austenítica. Se presenta en forma de agujas y cristaliza en el sistema tetragonal. La proporción de carbono no es constante y varía hasta un contenido máximo de 0,89%; su dureza, su resistencia mecánica y su fragilidad aumentan con la proporción de carbono. *Su dureza tiene un margen de 50 a 68 HRC (unidades Rockwell); su resistencia varía de 175 a 250 kp/mm², y su alargamiento, de 2,5 a 0,5%*. Presenta propiedades magnéticas. **f) Ledeburita:** es una aleación eutéctica de ferrita y cementita. *Es propia de las fundiciones*. **g) Bainita:** también se produce por una transformación isotérmica de la austenita. Se produce en un temple defectuoso y su fin es la transformación total de la austenita en bainita. *Sus propiedades son intermedias entre la perlita y la martensita.* ### Estructuras de las aleacciones Fe-C Podemos distinguir tres tipos de estructuras en las aleaciones hierro-carbono: *cristalina, micrográfica y macrográfica*. - **Estructura cristalina:** no es uniforme, sino que varía según los constituyentes de la aleación, y estos cambian con la composición y con la temperatura. - **Estructura micrográfica:** el elemento fundamental de esta estructura es el grano, que en los aceros tiene gran importancia, por lo que es preciso tenerlo en cuenta a la hora de la formación y el desarrollo de su tamaño en los tratamientos térmicos. *Las propiedades de los aceros son, en general, peores cuanto mayor es el tamaño del grano, a excepción de la capacidad de trabajarlo con máquinas, que se ve aumentada con el tamaño del grano. Las imágenes suelen tomarse con un microscopio metalográfico.* - **Estructura macrográfica:** depende de las impurezas que contenga el acero y de la forja a que puede ser sometido. ### Diagrama de equilibrio con transformaciones en estado sólido Entre los diagramas de equilibrio, el correspondiente a las aleaciones hierro-carbono es el más importante desde el punto de vista industrial. Sin embargo, nos vamos a ayudar de una parte del diagrama para estudiar este tipo de transformaciones. La aleación hierro-carbono, en realidad, es una aleación hierro-carburo de hierro (Fe₃C) (6,67% de C y 93,33% de Fe). En esta parte del diagrama vamos a elegir tres aleaciones tipo, identificadas con las cifras II, III y IV. ## Análisis del diagrama Fe-C Conocidos los componentes y constituyentes que podemos encontrar en las aleaciones hierro-carbono, vamos a determinar cuáles de ellos las forman, según sean las proporciones de hierro y carbono, así como la temperatura a que se encuentran. ### Fundiciones Las fundiciones son aleaciones férricas con un porcentaje de carbono superior al 2,1%. En la práctica, las fundiciones contienen entre el 3 y el 4,5% de carbono. Funden a temperaturas inferiores a los aceros, que varían entre 1150 y 1300°C, por lo que se moldean con facilidad. La tendencia que tienen las fundiciones a la grafitización (formación de grafito) se regula mediante la composición y la velocidad de enfriamiento. En la mayoría de las fundiciones, el carbono aparece como grafito, y la microestructura y las propiedades mecánicas dependen de la composición y del tratamiento térmico. Los tipos más comunes de fundición son gris, esferoidal, blanca y maleable. #### Fundición Gris El carbono varía entre el 2,5 y el 4,0%. Generalmente, en las fundiciones grises el grafito aparece en forma de escamas o láminas. *Mecánicamente son frágiles y poco resistentes a la tracción. La resistencia y la ductilidad a los esfuerzos de compresión son muy elevados*. Una propiedad muy característica de estas fundiciones es su efectividad en el amortiguamiento de las energías originadas por vibraciones, de ahí que se construyan con fundición gris las bancadas de las máquinas. *Tienen alta resistencia al desgaste. Son muy fáciles de moldear por su gran fluidez y, por tanto, se pueden obtener piezas de formas muy complicadas que, al solidificar, presentan poca contracción*. El comportamiento mecánico de una fundición gris resulta parecido al de un acero con numerosas microfisuras taponadas por grafito. La cohesión entre el grafito y la matriz metálica es casi nula. Debido a la gran diferencia entre los coeficientes de dilatación del hierro y del grafito, este se despega fácilmente de la matriz. *Son uno de los materiales férricos más baratos.* #### Fundición esferoidal o nodular Se forma con pequeñas adiciones de magnesio o cesio a la fundición gris, que modifican su microestructura; esto da como resultado que el grafito, en lugar de escamas, presenta forma esferoidal. *Las fundiciones esferoidales son más resistentes y más dúctiles que las grises de grafito laminar, y tienen propiedades mecánicas similares a las del acero*. Por ejemplo, una fundición dúctil ferrítica tiene una resistencia a la tracción comprendida entre 380 y 480 MPa. *Estas excepcionales propiedades de la fundición esferoidal son debidas a la forma de los nódulos de grafito*. Su composición es similar a las fundiciones grises; la presencia porcentual de azufre y fósforo debe mantenerse en proporciones muy bajas (inferiores al *0,03%*), igual que en los aceros de calidad. *Estas fundiciones se utilizan para fabricar cuerpos de bomba, pistones, cigüeñales, etc.* #### Fundición blanca y maleable Partiendo de fundiciones bajas en carbono, que contengan menos del 1,0% de silicio, y aumentando considerablemente la velocidad de enfriamiento, la mayoría del carbono se convierte en cementita en lugar de en grafito, con lo que se obtiene la denominada *«fundición blanca»,* porque su superficie de rotura presenta este color. *A causa de la gran cantidad de cementita que presenta, la fundición blanca es extremadamente dura y muy frágil, hasta el punto de no poderse mecanizar. *Su aplicación se limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y sin ductilidad, como los cilindros de laminación. Calentando la fundición blanca hasta temperaturas comprendidas entre 800 y 900°C durante largo tiempo y en atmósfera inerte (para prevenir la oxidación), la cementita se descompone y forma grafito en forma de racimos o rosetas. *La microestructura es similar a la de la fundición esferoidal, por lo que presenta una resistencia relativamente alta y apreciable ductilidad o maleabilidad. Sus aplicaciones se encuentran en engranajes de transmisión, cajas de diferencial, etc.*