Resumen 1er Parcial - Propiedades Mecánicas Fundamentales PDF

TEMA 1. PROPIEDADES MECÁNICAS FUNDAMENTALES 1.1 Ensayo de tracción Es el único que permite obtener la curva de comportamiento del material y determinar sus propiedades mecánicas fundamentales. El límite elástico es el valor de la tensión para el que se produce una deformación plástica...

TEMA 1. PROPIEDADES MECÁNICAS FUNDAMENTALES 1.1 Ensayo de tracción Es el único que permite obtener la curva de comportamiento del material y determinar sus propiedades mecánicas fundamentales. El límite elástico es el valor de la tensión para el que se produce una deformación plástica del 0.2% (se traza una recta paralela a la recta inicial del gráfico desplazada una distancia igual al 0.2% de la longitud inicial l0). El máximo de tensión es la resistencia a tracción (𝜎𝑟 ) y la deformación en ese punto es la deformación uniforme (𝘀𝑢 ). Sobrepasada la carga máxima, comienza la región de estricción y finaliza cuando la probeta rompe. Sobre la probeta rota, se mide el alargamiento total y la reducción de área o estricción. El alargamiento depende de la geometría y del tamaño de la probeta utilizada. Curva tensión deformación verdadera La tensión y deformación verdaderas se obtienen dividiendo la fuerza por la sección real existente en dicho punto y la variación de longitud por la longitud real existente: 𝐹 𝐹 σ= = (1+e) 𝑆 𝑆0 ∆𝑙 ε= 𝑙 =ln(1+e) Si representamos el logaritmo de la tensión verdadera frente al logaritmo de la deformación plástica verdadera, se obtiene una línea recta (relación de Hollomon): 𝑛 σ𝑣 =K𝘀𝑝𝑙 , donde n es el coeficiente de endurecimiento por deformación y varía entre 0 y 0.4. La relación de Ramberg-Osgood tiene además en cuenta la deformación elástica: 𝜎 𝜎 ε=ε𝑒𝑙 + ε𝑝𝑙 = 𝑣 +𝛼( 𝑣 )1/𝑛 𝐸 𝜎𝑦𝑠 La curva de comportamiento de los materiales, depende de la temperatura y de la velocidad de deformación. En un acero, al disminuir la temperatura, el límite elástico y la resistencia a tracción aumentan, mientras que el alargamiento y la estricción disminuyen. El efecto de la velocidad de deformación se expresa como: σ=C (𝑑𝘀/𝑑𝑡)𝑚 Curvas de tracción de plásticos Los plásticos tienen la peculiaridad de que sus curvas de comportamiento dependen del tiempo de aplicación de la carga. 1.2 Ensayo de compresión Utiliza una probeta de sección constante que se comprime entre dos platos planos (superior e inferior). No podemos utilizar probetas muy esbeltas, ya que en este caso 𝐶𝜋 2𝐸𝑑0 ocurre la inestabilidad geométrica conocida como pandeo F= 16𝑙02 1.3 Ensayo de flexión Es el más utilizado para la determinación de la resistencia mecánica de las cerámicas. En los ensayos de flexión en tres y cuatro puntos, el estado de tensiones que se impone a la probeta no es uniforme, ya que la fibra inferior está sometida a tracción, mientras que la superior está sometida a compresión, existiendo una fibra neutra central en la que la tensión se anula. Además, la tensión es máxima en la zona central de la probeta. Resistencia de las cerámicas Las cerámicas tienen alta resistencia a compresión, pero son débiles a tracción. La resistencia mecánica de elementos cerámicos sigue una distribución de Weibull: (fórmula) Ps es la probabilidad de supervivencia y 𝜎0 corresponde a la tensión para la que la probabilidad de supervivencia es igual a 1/e (37%). Pf:  Tiza 0,3-0,5  Plaquitas de corte de máquinas, herramientas… 10^-2  Riesgo de vidas humanas NDT si σNDT+17ºC si 50NDT si NDT+33ºC si σys/2< σ< σys Ensayo DWTT (ATSM E436) El ensayo consiste en dejar caer un peso o un péndulo, que golpea a la probeta por el lado opuesto al de la entalla con la violencia suficiente como para romper la probeta en dos trozos. Se observa una región periférica mate, más oscura (fractura dúctil o tenaz) y una región central más brillante (rotura frágil). Midiendo en el centro de la probeta los segmentos dúctil y frágil, se obtiene el porcentaje de superficie dúctil como A+C/(A+B+C). TEMA 3. MICROESTRUCTURA Y MICROMECANISMOS DE ENDURECIMIENTO Y FRACTURA 3.2 Mecanismos de endurecimiento de las aleaciones metálicas El límite elástico es la tensión necesaria para iniciar la deformación plástica e implica un movimiento significativo de las dislocaciones presentes en la microestructura. Por ello, los diferentes mecanismos de endurecimiento posibles consistirán en obstaculizar el citado movimiento de las dislocaciones. Formas de aumentar el límite elástico de las aleaciones metálicas:  Endurecimiento por solución sólida. La incorporación de un segundo elemento a la estructura atómica de un metal puro supone introducir una distorsión en la red local que dificulta el movimiento de las dislocaciones sobre sus planos de deslizamiento.  Endurecimiento por deformación plástica. Al deformar plásticamente un metal, se generan nuevas dislocaciones de manera que su densidad crece hasta valores que  pueden superar 10^11 cm/cm^3. El movimiento de las dislocaciones implicará cruces e interacciones entre ellas que conllevan una menor facilidad de movimiento.  Endurecimiento por afino de grano. Los planos de deslizamiento de las dislocaciones desaparecen al llegar a la junta de grano, por lo que para que una dislocación continúe su movimiento en un grano adyacente debe ejercerse un esfuerzo adicional para sobrepasar esa junta. En conclusión, las juntas de grano actúan como barreras que se oponen al movimiento de las dislocaciones y a medida que disminuye el tamaño de grano, el número de estas barreras aumenta. Relación de Hall-Petch (efecto del tamaño de grano):  Endurecimiento por precipitación fina y dispersa de otra fase. Estos precipitados pueden ser coherentes o incoherentes, según si existe o no relación de orientación entre la fase matriz y el precipitado. 3.3 Mecanismos de fractura Fractura dúctil Se caracteriza por una amplia deformación plástica previa. Es la fractura que tiene lugar por encima de la temperatura de transición del material. Tiene tres fases:  Nucleación. Se nuclean microcavidades en las discontinuidades microestructurales existentes siempre en mayor o menor medida.  Crecimiento.  Coalescencia. Estas microcavidades, cuando coalescen unas sobre otras, sobreviene la rotura del material. Este fenómeno consume una gran cantidad de energía. Fractura frágil  Tensión teórica de clivaje Es típica de materiales perfectamente elásticos como el vidrio y cerámicas en general. El vidrio, al ser amorfo, rompe a lo largo de una superficie perpendicular a la dirección de tracción. Entonces, una probeta de vidrio sometida a tracción romperá cuando se rompan los enlaces interatómicos que mantienen unidos los átomos situados a cada lado del plano de separación.  Fractura de los materiales metálicos frágiles La tensión normal local nunca supera un valor igual a 3-4 veces el límite elástico del material, tensión insuficiente para romper los enlaces interatómicos. Por ello, para que se desencadene el proceso de rotura es necesario que en la región próxima a la grieta sometida a una alta tensión exista una partícula frágil que se rompa y esa microgrieta se propague a través de la fase matriz de la aleación. Existe una relación inversa entre σys y la tenacidad, de esta manera, los mecanismos de aumento del límite elástico son justo los opuestos a los correspondientes al aumento de la tenacidad. Si aumenta el límite elástico, se bloquea la deformación plástica. Si aumenta la tenacidad, se facilita la deformación plástica. Factores influyentes en la fragilidad de los materiales Hay que evitar la rotura frágil. Para ello, debe facilitarse la deformación plástica.  Estado tensional. El clivaje en un plano cristalográfico concreto está promovido por esfuerzos normales de tracción, mientras que la fractura dúctil implica movimiento de dislocaciones bajo esfuerzos de cortadura. La fragilidad de los materiales se manifiesta bajo estados tensionales que impongan grandes esfuerzos normales de tracción y pequeños esfuerzos cortantes. La fragilidad de un material aumenta al ser sometido a esfuerzos de tracción biaxiales y triaxiales, en virtud de la disminución de los esfuerzos cortantes y, como consecuencia, la dificultad para que en estas situaciones tenga lugar la deformación plástica. Por el contrario, la aplicación de esfuerzos laterales de compresión contribuyen a aumentar los esfuerzos de cortadura, lo que favorece la deformación plástica del material.  Tamaño de grano. La reducción del tamaño de grano es el único factor que permite incrementar simultáneamente el límite elástico y la tenacidad.  Temperatura y velocidad de carga. En general, los materiales se comportan de manera tanto más frágil cuanto mayor es la velocidad de solicitación.  Fractura intergranular. La mayoría de materiales cristalinos se rompen transgranularmente, ya que normalmente las juntas de grano son más resistentes que el propio grano. Sin embargo, en algunas ocasiones el proceso de rotura tiene lugar a través de las juntas de grano: o Precipitación de una fase frágil en la junta de grano. o Segregación en la junta de grano de elementos químicos fragilizantes, como por ejemplo, P, Sn, As y Sb en los aceros. o Acumulación de hidrógeno en las juntas de grano. Los átomos de hidrógeno que pudieran haber entrado en un material metálico, se acumulan en las juntas de grano, dando lugar a una rotura intergranular. o Fractura asistida por el medio ambiente o corrosión bajo tensión. o Fractura por fluencia a temperaturas muy elevadas. o Corrosión intergranular 3.4 Formas de incrementar la tenacidad en los materiales cerámicos  Adicionar a la cerámica una pequeña fracción de partículas uniformemente repartidas a una aleación dúctil.  Presencia de partículas capaces de transformarse bajo el campo de tensiones existentes delante de la grieta (paso de una estructura FCC a otra BCC).  Incorporación de fibras o whiskers (fibras monocristalinas de tamaño submilimétric).  Rodear a las partículas cerámicas frágiles con una matriz metálica dúctil (20% de Al o de Co). 3.5 Procesos de fractura en plásticos En los materiales viscoelásticos, se percibe una cierta movilidad estructural, lo que conlleva la rotura final, influida por la temperatura y la velocidad de deformación. En los materiales termoplásticos, se da un fenómeno conocido como “crazing”, que consiste en la deformación altamente localizada que tiene lugar en alguna heterogeneidad microestructural, que termina con la formación de cavidades internas. Los polímeros más frágiles son los termoplásticos y los termoestables, y para impedir esta fractura frágil el mecanismo más común al que se recurre es el refuerzo con partículas de goma. TEMA 4. MECÁNICA DE LA FRACTURA ELÁSTICA LINEAL A diferencia de la hipótesis que se aplica en los cálculos estructurales convencionales que consideran cualquier material como un sólido uniforme y perfecto, los análisis basados en mecánica de la fractura parten de la base de que cualquier componente estructural posee grietas, defectos o discontinuidades de mayor o menor tamaño. De este modo, su finalidad es la de sentar las bases para poder analizar y predecir el comportamiento mecánico de cualquier elemento estructural agrietado cuando se le somete a esfuerzos externos. F(σ,a,Kc)=0 Todos los componentes estructurales tienen defectos/grietas de mayor o menor tamaño, e incluso cuando se inspeccionan para detectar la presencia de defectos utilizando ensayos no destructivos y no se encuentra ninguno, solo se puede asegurar que no existen defectos mayores de los que podría detectar el método de inspección utilizado (sensibilidad). 4.1 Criterio energético de fractura Si en una placa elástica, homogénea e infinita de espesor unidad sometida a una tensión externa σ introducimos una grieta de longitud a, la energía total U será: U=𝑈0 + 𝑈𝑎 + 𝑈𝛾 − 𝐹 𝑈0 : energía elástica de la placa cargada en ausencia de grieta 𝑈𝑎 : variación de energía elástica que experimenta la placa cargada al introducirle la grieta 𝑈𝛾 : variación de energía superficial debida a la creación de las superficies libres F: trabajo desarrollado por las fuerzas exteriores. La inestabilidad de la grieta y su crecimiento súbito tiene lugar en el máximo de esta función, que se obtendrá igualando a 0 dU/da: La energía disponible para el crecimiento de la grieta, G, es igual a la energía que se opone a su crecimiento, R, y en un sólido elástico ideal R es una constante igual a 2 𝛾, siendo 𝛾 la energía superficial del sólido. G aumenta con la tensión aplicada y con el tamaño de la grieta, mientras que R es una constante característica del material. El punto de corte entre G y R define la tensión de rotura, que es tanto menor cuanto mayor es el tamaño de grieta a. 4.2 Análisis tensional de sólidos agrietados K: factor intensidad de tensión. Depende del tamaño de la grieta existente (a) y de la tensión aplicada. 4.3 Criterio de rotura 𝐾2 G= 𝐸′ Donde E’ , en tensión plana, es el módulo elástico del material, y en deformación plana, es E(1- 𝜈 2 ), siendo 𝜈 el coeficiente de Poisson del material. Cuando G alcanza un valor crítico igual a R, el criterio de fractura desde un punto de vista tensional será: K=Kc Kc: tenacidad a fractura. Es característico de cada material. Criterio diseño mecánico: Sσ