Grado en Ingeniería de Materiales: Estructura de Materiales I (2023-2024) PDF

Grado en Ingeniería de Materiales Estructura de Materiales I Primer curso. Primer semestre. Profesorado. Dra. Nuria Martín Piris Dpto. Materiales y Producción Aeroespacial Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio...

Grado en Ingeniería de Materiales Estructura de Materiales I Primer curso. Primer semestre. Profesorado. Dra. Nuria Martín Piris Dpto. Materiales y Producción Aeroespacial Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio email: [email protected]  1. INTRODUCCIÓN Y PROPIEDADES MECÁNICAS TEMA 1. INTRODUCCIÓN Y PROPIEDADES MECÁNICAS 1.1. Objetivos de la asignatura. 1.2. Conceptos básicos. 1.3. El ensayo de tracción. 1.4. Comportamiento elástico. 1.5. Comportamiento plástico. 1.6. Otras propiedades mecánicas. 1.7. Propiedades físicas. 1.8. Propiedades químicas. 1-1 1.1. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA 1-2  1.1. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA a. Conocer la existencia una relación entre la estructura de los materiales y sus propiedades (físicas, químicas, mecánicas y tecnológicas). b. Conocer y analizar la estructura de los materiales cristalinos y su caracterización. c. Conocer y aplicar la influencia de la estructura cristalina y los defectos presentes en los procesos de deformación plástica, endurecimiento y ablandamiento, difusión o transformación de fase. 1-3 1.2. CONCEPTOS BÁSICOS 1-4  1.2. CONCEPTOS BÁSICOS a. Propiedades de los materiales. ▪ Propiedades mecánicas: relacionadas con la reacción del material en el momento en que le es aplicada una fuerza. Describen la forma en que el material soporta las fuerzas aplicadas. El material puede estar sometido a tensiones de tracción, compresión, cortadura (o cizalladura), torsión, flexión, impacto, cíclicas, a alta o baja temperatura… 1-5  1.2. CONCEPTOS BÁSICOS ▪ Propiedades físicas: se manifiestan en procesos físicos. Tipos: eléctricas, magnéticas, térmicas y ópticas. Describen características como el color, índice de refracción, densidad, conductividad eléctrica o térmica, capacidad calorífica, peso específico, punto de fusión, magnetismo... ▪ Propiedades químicas: se manifiestan durante una reacción química. Están relacionadas con la corrosión, la estabilidad estructural, la durabilidad, etc. ▪ Propiedades tecnológicas: relacionadas con el comportamiento del material durante los procesos de conformado y fabricación. Ejemplos: ductilidad, maleabilidad, colabilidad, soldabilidad, maquinabilidad, forjabilidad, dureza. 1-6  1.2. CONCEPTOS BÁSICOS b. Conceptos de tensión y deformación. ▪ Tensión o solicitación mecánica (esfuerzo o tensión) (stress): fuerza aplicada (localizada o distribuida) por unidad de superficie. Tensión = Fuerza / Área. Unidades (SI): N/m2 (Pascal, Pa). MPa = 106 Pa, GPa = 109 Pa o Tensión uniaxial: se aplica fuerza F uniformemente distribuida sobre un área A. Tracción (tensión normal):  = F/A Cizalladura (tensión de cizalladura o tensión tangencial):  = F/A o Estado triaxial de carga. En el material actúan simultáneamente tensiones normales y de cizalladura. 1-7  1.2. CONCEPTOS BÁSICOS ▪ Deformación (deformation, strain): cambio, temporal o permanente, en el tamaño o forma de un cuerpo debido a las tensiones producidas por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo. Existen deformaciones normales y tangenciales o de cizalladura. Ejemplo. En tracción uniaxial, la deformación longitudinal se obtiene como:  = incremento de longitud / longitud inicial La deformación puede darse en (mm/mm) o en (%). Es adimensional. 1-8 1.3. EL ENSAYO DE TRACCIÓN 1-9  1.3. EL ENSAYO DE TRACCIÓN ▪ Las propiedades mecánicas se determinan con ensayos mecánicos. ▪ Factores a tener en cuenta en la realización de ensayos: ▪ El tipo de carga aplicada (tracción, flexión, etc.). ▪ La magnitud de las cargas (constantes o cíclicas). ▪ El tiempo de aplicación de la carga (estáticas o de impacto). ▪ Otras condiciones de ensayo (ej: la temperatura). ▪ El conocimiento de las propiedades mecánicas de los materiales permite: ▪ Determinar la combinación de propiedades más deseable para su uso en aplicaciones estructurales o en procesos de conformado. ▪ Predecir la respuesta de un material en servicio (resistencia de materiales, cálculo de estructuras, estudios de tolerancia al daño…). ▪ Seleccionar el material idóneo para cada aplicación. 1-10  1.3. EL ENSAYO DE TRACCIÓN a. Equipo. célula de carga mordaza Máquina universal de ensayos. extensómetro ▪ Ensayos normalizados: se realizan aplicando una norma. ▪ Ensayo de tracción en probeta metales: EN 10002-1. ▪ En el ensayo se somete a la probeta a una carga creciente de tracción uniaxial. Travesaño o cabezal móvil 1-11  1.3. EL ENSAYO DE TRACCIÓN ▪ Se registran, en cada instante, la carga aplicada y el alargamiento que experimenta el extensómetro unido a la probeta. ▪ Las probetas de tracción están normalizadas: forma y dimensiones establecidas en la norma EN 10002-1. ▪ Probeta de tracción convencional. 1-12  1.3. EL ENSAYO DE TRACCIÓN b. Curva carga – alargamiento (F - L). ▪ Ensayo de tracción uniaxial → aplicación de una fuerza creciente sobre la probeta en dirección longitudinal. ▪ Se registra y se representa el alargamiento o extensión (incremento de longitud de la probeta), en función de la carga aplicada. - F: fuerza (load) que mide la célula de carga. - L: alargamiento (elongation). Es el incremento de longitud que experimenta el extensómetro, L = (L-L0), donde L0 es la longitud base (longitud inicial) del extensómetro. 1-13  1.3. EL ENSAYO DE TRACCIÓN c. Curva tensión ingenieril – deformación ingenieril (s – e) ▪ Tensión ingenieril: cociente entre la fuerza aplicada y la sección transversal inicial de la probeta (S0). ▪ Deformación ingenieril: cociente entre el alargamiento y la longitud inicial del extensómetro (L0). F rotura s= s (MPa) S0 L L - L0 e= = L0 L0 e (mm/mm) 1-14  1.3. EL ENSAYO DE TRACCIÓN d. Curva tensión real (verdadera) – deformación real ( – ) ▪ Tensión verdadera (true stress): cociente entre la fuerza aplicada y la sección transversal instantánea de la probeta (S, que disminuye durante el ensayo). ▪ Deformación verdadera (true strain): cociente entre el alargamiento instantáneo y la longitud instantánea del extensómetro (L). F = S dL dL d = →  = L L Nota: La deformación plástica tiene lugar sin cambio de volumen: S0·L0 = S·L. 1-15 1.4. COMPORTAMIENTO ELÁSTICO 1-16  1.4. COMPORTAMIENTO ELÁSTICO ▪ Trabajaremos con la curva tensión-deformación ingenieril. ▪ En la curva tensión-deformación se distinguen dos zonas: ▪ Primera zona: al retirar la carga aplicada, se recupera la forma inicial → deformación elástica → régimen elástico. ▪ Segunda zona: al retirar la carga, no se recupera la forma o dimensiones iniciales → deformación permanente → régimen plástico. rotura Tensión (MPa) Deformación (mm/mm) 1-17 1.4. COMPORTAMIENTO ELÁSTICO a. Módulo elástico (en tracción). En muchos materiales, la tensión y la deformación en el régimen elástico son proporcionales → la constante de proporcionalidad se denomina Módulo elástico, E (Young modulus). Ley de Hooke:  = E· Está relacionado con la fuerza de enlace entre los átomos o iones → relación con el concepto de rigidez (resistencia que opone el material a ser deformado elásticamente). E es una constante elástica (NO es una tensión), pero tiene unidades de tensión para mantener la coherencia de la ecuación → MPa, GPa. 1-18  1.4. COMPORTAMIENTO ELÁSTICO Relación entre la deformación elástica y los enlaces atómicos. ▪ Los átomos o iones se atraen mediante enlaces. ▪ Hay dos tipos de interacciones entre los átomos: ▪ Atractiva, FA→ de tipo electrostático; depende del tipo de enlace particular entre los átomos o iones. ▪ Repulsiva, FR → producida por: ▪ choques provocados por la agitación térmica; ▪ solapamiento de orbitales (debe cumplirse el principio de exclusión de Pauli). ▪ Habrá una distancia de equilibrio para la cual: ▪ La fuerza es nula (equilibrio físico). ▪ La energía es mínima (equilibrio termodinámico). 1-19 1.4. COMPORTAMIENTO ELÁSTICO Carga exterior de tracción → los átomos se separan y se alejan de la posición de equilibrio → se estiran los enlaces atómicos → aumenta la longitud de la probeta → hay deformación macroscópica. Al retirar la fuerza exterior, los átomos vuelven a la posición inicial para minimizar la energía → se recupera la forma inicial de la pieza → la deformación elástica desaparece al retirar la carga, no es permanente. 1-20  1.4. COMPORTAMIENTO ELÁSTICO El módulo elástico está relacionado con la fuerza que hay que aplicar para separar átomos adyacentes → es proporcional a la pendiente de la curva F-r en el punto correspondiente a la distancia de equilibrio. El módulo elástico depende de las fuerzas de enlace interatómicas. 1-21 1.4. COMPORTAMIENTO ELÁSTICO b. Otras constantes elásticas. En un ensayo de tracción uniaxial, no sólo se produce una deformación longitudinal, z. También hay una deformación transversal (disminución de las dimensiones transversales), x, y. Si el material isótropo (las propiedades son las mismas con independencia de la dirección en la que se midan) y teniendo en cuenta la contracción lateral, se define el módulo de Poisson, : x y =− =− z z 1-22  1.4. COMPORTAMIENTO ELÁSTICO ▪ Si se aplican tensiones de cizalladura (o cortadura, shear stress): ▪ Hay que considerar la relación entre la tensión de cizalladura () y la deformación a cizalladura () en el régimen elástico. ▪ Módulo elástico a cizalladura, G. F F A = = G· A x F = = tan θ h Para pequeñas deformaciones, hay una relación entre las constantes E = 2G (1+ ) elásticas del material: 1-23  1.4. COMPORTAMIENTO ELÁSTICO Constantes elásticas para distintos materiales. Metal o aleación E (GPa) G (GPa) Aluminio 69 26 0.33 Latón 101 37 0.35 Cobre 110 46 0.35 Magnesio 45 17 0.29 Níquel 207 76 0.31 Acero 207 83 0.27 Titanio 107 45 0.36 Wolframio (tungsteno) 407 160 0.28 Vidrio 69 Alúmina 324 Nylon 2.8 PVC 3.5 Resina fenólica 6.5 Material compuesto (resina epoxi-fibra de C 250 unidireccional, 60% fibra) 1-24 1.5. COMPORTAMIENTO PLÁSTICO 1-25  1.5. COMPORTAMIENTO PLÁSTICO Comportamiento plástico. ▪ Cuando una probeta se deforma hasta alcanzar el régimen plástico: ▪ Al descargar, la deformación elástica se recupera (recuperación elástica), de forma paralela a la variación lineal del tramo elástico. ▪ El resto de la deformación se mantiene (hay una deformación plástica, permanente). Deformación permanente 1-26  1.5. COMPORTAMIENTO PLÁSTICO a. Límite elástico. ▪ Límite elástico, Rp (y, yield strength): tensión ingenieril para la cual comienza a producirse deformación plástica en el material. Marca la frontera entre la zona de comportamiento elástico y el resto de la curva tensión-deformación. Al aplicar tensiones por encima del límite elástico, el material queda con una deformación permanente. ▪ Problemas en la determinación del límite elástico: ▪ Hay materiales con comportamiento elástico no lineal. ▪ En curvas con un tramo elástico lineal, no siempre el final del tramo recto coincide con el fin de la deformación elástica. ▪ Muchas veces no es fácil distinguir el fin del tramo lineal. 1-27  1.5. COMPORTAMIENTO PLÁSTICO Límite elástico convencional ▪ Es el valor de tensión para la cual el material ha experimentado una deformación permanente previamente establecida. ▪ Es habitual tomar una deformación plástica permanente  = 0,002 = 0,2%) → Rp0,2 (también puede expresarse como 0,2). Rp0,2 se obtiene trazando una recta paralela al tramo elástico, por el punto de deformación 0,002 (si la deformación está dada en mm/mm), o del 0,2% (si se expresa en porcentaje). 1-28  1.5. COMPORTAMIENTO PLÁSTICO Endurecimiento por acritud ▪ Se carga una probeta hasta la zona plástica (punto D), y se retira la carga. ▪ Si se vuelve a cargar, la curva que sigue el material asciende por la recta de descarga → ha aumentado la tensión necesaria para deformar plásticamente, por lo que habrá aumentado el límite elástico. La explicación está en la forma de la curva: a medida que aumenta la deformación plástica, es precisa una mayor tensión para deformar → endurecimiento por acritud. Este comportamiento está relacionado con la estructura cristalina y la presencia de defectos. 1-29  1.5. COMPORTAMIENTO PLÁSTICO Cedencia ▪ Algunos materiales presentan una curva tensión – deformación diferente → fenómeno del pico del límite elástico y cedencia. ▪ En este caso no se define el límite elástico, sino el límite superior de cedencia (ReH) y el límite inferior de cedencia (ReL). 1-30  1.5. COMPORTAMIENTO PLÁSTICO b. Resistencia a tracción. ▪ Resistencia a tracción, Rm (m, Ultimate Tensile Strength): máxima tensión ingenieril que el material es capaz de soportar en el ensayo. ▪ Se obtiene dividiendo la carga máxima registrada durante el ensayo por la sección transversal inicial de la probeta. = Fmax Rm S0 En ocasiones, tras alcanzar la fuerza máxima, se forma en la probeta un estrechamiento o estricción → la sección transversal real se reduce → la carga que resiste la probeta disminuye → la tensión ingenieril disminuye (porque S0 es constante). 1-31  1.5. COMPORTAMIENTO PLÁSTICO c. Ductilidad. ▪ Ductilidad o plasticidad (ductility, plasticity): capacidad general de un material para ser deformado plásticamente sin romperse. ▪ La ductilidad suele valorarse de las siguientes formas: o Alargamiento porcentual a rotura, A (%). alargamiento permanente que experimenta una longitud inicial marcada entre dos puntos en la probeta (Lf es la longitud final entre marcas, y Li la longitud inicial): L −L A(%) = f i · 100 Li = 5,65 S0 Li o Coeficiente de estricción, Z (%). Es la variación máxima que experimenta la sección transversal de la probeta durante el ensayo. S0 − S f Z(%) = · 100 S0 ▪ A mayor alargamiento porcentual a rotura → mayor plasticidad. 1-32  1.5. COMPORTAMIENTO PLÁSTICO ▪ Los materiales muy dúctiles (ductile, con gran plasticidad) pueden deformarse mucho antes de romperse (ej: materiales superplásticos). El concepto opuesto a ductilidad es fragilidad (fragility): los materiales rompen sin apenas deformarse plásticamente. No hay estricción. Los cerámicos son materiales inherentemente frágiles (brittle), no se deforman plásticamente. Los metales y los polímeros sí tienen capacidad de deformación plástica y pueden ser más o menos dúctiles. ▪ No deben confundirse con los materiales blandos (soft materials), que tienen baja dureza (bajo límite elástico) y duros (hard materials), con alta dureza (alto límite elástico). 1-33  1.5. COMPORTAMIENTO PLÁSTICO Resumen: propiedades mecánicas fundamentales que se extraen del ensayo de tracción ▪ E (módulo elástico o módulo de Young, GPa): Constante de proporcionalidad entre la tensión aplicada y la deformación resultante, dentro del régimen elástico. ▪ Rp0,2 (límite elástico convencional, MPa): Tensión ingenieril que produce en el material una deformación permanente del 0,2%. ▪ Rm (resistencia a tracción, MPa): Tensión ingenieril máxima que el material es capaz de soportar en el ensayo. Se define como la carga máxima registrada durante el ensayo dividida por el área transversal inicial de la probeta. ▪ A (alargamiento porcentual a rotura): relación entre el alargamiento permanente que experimenta una longitud inicial marcada entre dos puntos en la probeta, y dicha longitud inicial. 1-34  1.5. COMPORTAMIENTO PLÁSTICO Resumen: propiedades mecánicas fundamentales que se extraen del ensayo de tracción  Módulo elástico (E).  Límite elástico (Rp). Límite elástico convencional (Rp0,2).  Resistencia a tracción (Rm). Además, se ha definido la ductilidad (, ¡¡OJO!!) a través del alargamiento porcentual a rotura (A) y el coeficiente de estricción (Z). 1-35  1.5. COMPORTAMIENTO PLÁSTICO Nota: 1 pulgada (1 inch  in.) → 25,4 mm 1 kp = 9,8 N 1 libra (1 pound) = 453,6 g 1 psi = 1 libra/pulgada2 = 6894,75 Pa 1-36 1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS 1-37  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS a. Tenacidad. ▪ Tenacidad (toughness): Energía total que es capaz de absorber un material en el proceso de deformación plástica hasta rotura → N·m = J. La energía que se introduce al aplicar tensión a un material se invierte fundamentalmente en deformarlo plásticamente → hay una relación entre tenacidad, resistencia y plasticidad. ▪ Los materiales frágiles son poco tenaces. ▪ Bajo la acción de cargas que se aplican lentamente → la tenacidad se puede determinar como el área bajo la curva del ensayo de tracción (energía absorbida en la deformación plástica). ▪ Bajo la acción de cargas dinámicas (de impacto) → ensayos de impacto (ej. Charpy, Izod). Importante en ingeniería. 1-38  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS Ejemplo de la diferencia entre un material resistente, dúctil y tenaz 1-39 1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS Ensayo Charpy: un péndulo (martillo) impacta sobre una probeta con entalla, produciendo su rotura. Condiciones muy severas: baja temperatura, alta velocidad de deformación y estado triaxial de tensiones. La energía absorbida en el proceso se determina como la diferencia entre la energía potencial inicial del péndulo (función de la altura de caída) y la energía potencial final (función de la altura que alcanza tras el impacto). 1-40  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS Temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT) Implica una súbita disminución de la energía de impacto absorbida, en un estrecho intervalo de temperaturas. Por encima de la DBTT, el material es dúctil. A bajas temperaturas, el material es frágil → riesgo de fallo catastrófico. Ejemplo de materiales con DBTT: metales BCC (como los aceros) y polímeros termoplásticos. 1-41  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS b. Resiliencia. ▪ La resiliencia (resilience), UR, es la energía que absorbe el material durante la deformación elástica → N·m = J. Resiliencia Tenacidad + Resiliencia 1-42  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS c. Dureza. ▪ Dureza (hardness), H: medida de la oposición de un material a ser deformado plásticamente. ▪ Ensayos cualitativos → Escala de Mohs (dureza como resistencia que opone un material a ser rayado por otro). ▪ Para uso industrial → ensayos cuantitativos → ensayos de penetración (dureza: resistencia que opone un material a ser penetrado por otro en su superficie). Un indentador o penetrador se sitúa sobre la superficie del material → se aplica una carga sobre la pieza → esto provoca una deformación, una marca en la superficie (la huella). La dureza se obtiene mediante una relación matemática entre la carga aplicada y alguna dimensión de la huella. Hay distintos tipos de ensayos y escalas de dureza en función de la carga aplicada, del penetrador, y de la forma de calcular la dureza. 1-43  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS Indentador En los ensayos de penetración se mide el tamaño de la huella que queda después de aplicar una carga conocida con un penetrador de dimensiones definidas. Superficie de la probeta A partir de esos valores se calcula un Carga número de dureza. Material blando (baja dureza) → huella grande → Nº de dureza pequeño. Material duro (alta dureza)→ huella pequeña → puede ser difícil de medir con precisión → la carga elegida debe ser acorde a la Huella dureza del material. La dureza está directamente relacionada con el límite elástico del material 1-44  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS Escalas de dureza Forma del penetrador Fómula para el Test Penetrador Vista lateral Vista superior Carga número de dureza Brinell Esfera de 10 mm de acero o de CW Vickers Pirámide de microdureza diamante Knoop Pirámide de microdureza diamante Rockwell y Cono de Rockwell diamante Superficial Esferas de acero: 1/16, 1/8, 1/4 y ½ pulgadas de diametro 1-45 1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS Comparación de escalas de dureza: la dureza tiene un significado relativo → la comparación de escalas depende del tipo de material. La conversión más fiable es la de los aceros. Índice de dureza Brinell (BHN) para algunos materiales: Material BHN acero 220 aluminio 40 diamante 6000 cuarzo 200 plásticos 20 1-46  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS d. Tenacidad de fractura. ▪ El comportamiento de los materiales frente a las cargas aplicadas varía si hay grietas u otro tipo de defectos. ▪ Los poros, grietas, entallas, taladros, etc., son zonas donde se produce concentración de tensiones → las tensiones son mucho mayores en ciertos puntos del material que en el resto (y mayores que las tensiones exteriores aplicadas) → la rotura comienza por esos puntos. En grietas, la concentración de tensiones es máxima en el extremo de la grieta, y tanto mayor cuanto menor sea el radio en la punta. La magnitud de las tensiones en las zonas de concentración se mide a través de K, el factor de intensidad de tensiones. 1-47  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS ▪ El factor de intensidad de tensiones depende de: o El tamaño de la grieta (cuanto mayor es el tamaño, mayor es K). o La tensión aplicada (cuanto mayor es la tensión exterior, mayor es la tensión en los puntos de concentración de tensiones). o Condiciones de contorno (orientación de la grieta, radio de la grieta en la punta, tamaño del taladro, posición de la entalla…). a: longitud (o semilongitud) de la grieta (mm) : tensión aplicada (MPa) Y: factor adimensional ( 1) que recoge las condiciones de contorno (geometría de la pieza y de la grieta). K=Y  π a → MPa m 1-48  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS ▪ Los materiales sólo pueden soportar tensiones finitas → existe un valor máximo de K que un material admite. Si ese valor se supera, la grieta crece de forma instantánea (catastrófica ) → rotura. ▪ El valor máximo (crítico) del factor de intensidad de tensiones que un material puede soportar sin romper de forma catastrófica es la tenacidad de fractura, Kc, (fracture toughness) → es una propiedad del material. ▪ Ensayos experimentales: se reproducen las condiciones de carga más exigentes para el material (para diseñar con un valor conservativo): o Condiciones de deformación plana. o Modo I de apertura de grieta (por eso se denomina KIC). o Sin que haya deformación plástica en el borde de la grieta. 1-49  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS ▪ Conocido KIC, puede utilizarse este valor en diseño con criterios de tolerancia al daño: o Puede determinarse la máxima carga admisible en servicio (tensión crítica) para que no propague un defecto preexistente de tamaño conocido. KIC c  (MPa) Y πa o En procesos que implican nucleación (formación) y crecimiento (propagación) de grietas, puede determinarse, para unas tensiones de servicio conocidas, el tamaño crítico de defecto, ac (el máximo tamaño de grieta permitido antes de que se produzca el fallo catastrófico). 2 1  KIC  ac =   (mm) πσ Y  1-50  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS Ejemplo: tamaño crítico de defecto para materiales metálicos y cerámicos. La presencia de grietas en cerámicos es muy crítica (baja fiabilidad). 1-51  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS e. Procesos de fatiga. ▪ Si se aplican cargas variables (las cargas van cambiando y se aplican repetidas veces sobre la pieza) → cambia el comportamiento del material → puede producirse el fallo en servicio (rotura), al cabo de un determinado número de ciclos, incluso aunque las cargas sean inferiores al límite elástico → fatiga. ▪ Es un problema tecnológico importante en estructuras sometidas a tensiones cíclicas (puentes, aviones, automoción...). ▪ El proceso de fallo tiene lugar por creación de una grieta, que irá creciendo con el tiempo de aplicación de las cargas, hasta que alcance un tamaño crítico y propague de forma catastrófica. ▪ Es un proceso frágil, con poca o ninguna deformación plástica. ▪ Vida a fatiga: es el número de ciclos, N, que resiste el material hasta la rotura para un estado de carga determinado. 1-52 1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS Un material puede estar sometido a distintos tipos de carga variable. Se distingue entre cargas cíclicas (periódicas) y aleatorias. En el caso de cargas cíclicas, cualquier ciclo de carga puede descomponerse en una carga media (de tracción o compresión), a la que se le superpone una carga alternativa:  max +  mín Tensión media : m = 2 Intervalo de tensiones :  r =  max −  mín r  max −  mín Amplitud (tensión alternativ a) :  a = = 2 2  mín Cociente de tensiones : R =  max 1-53  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS Curvas de fatiga: curvas S-N ▪ Las curvas S-N muestran el número de ciclos para el fallo (rotura) en función de la tensión cíclica aplicada (generalmente, se representa la tensión alternativa). ▪ Resistencia a fatiga: máxima tensión, alternativa y simétrica, que puede soportar el material, sin romper, en un determinado número de ciclos. 1-54  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS En algunos materiales hay un nivel de tensión por debajo del cual el material nunca rompe por fatiga → presenta un límite de fatiga (endurance or fatigue limit). En aceros, puede estar entre el 30- 60% Rm. En metales no férreos (Al, Cu), no hay límite de fatiga → se caracterizan mediante la resistencia a fatiga (tensión para la que no rompe en N ciclos) o la vida a fatiga (número de ciclos a rotura para un nivel de tensión determinado). 1-55  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS Relación entre la resistencia a fatiga (FS, fatigue strength) y la resistencia a tracción (TS, tensile strength) para algunos materiales metálicos. FS= 1/2 TS Resistencia a fatiga (MPa) FS= 1/4 TS Resistencia a tracción (MPa) 1-56  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS Formación de grietas de fatiga y aspecto de la rotura Tres etapas en el fallo por fatiga: 1º Iniciación o nucleación de la grieta: casi siempre en la superficie, en puntos donde haya concentración de tensiones (cambios de sección, entallas, defectos superficiales como arañazos o picaduras de corrosión, rugosidad superficial...). La deformación alternativa local de la superficie provoca “microgrietas”. 2º Propagación estable de la grieta: crece de forma gradual con cada ciclo de carga (Etapa I y Etapa II). 3º Rotura final, cuando la grieta alcanza un tamaño crítico. 1-57  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS En la Etapa II las grietas de fatiga avanzan en dirección perpendicular a la tensión aplicada. El plano de rotura final también es perpendicular a .  Propagación Etapa II Etapa I  Rotura final 1-58  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS Identificación fractográfica de las superficies de fatiga ▪ Macroscópicamente: playas de fatiga. Líneas que marcan las variaciones en la aplicación de las cargas de fatiga (p. ej., cada vez que se hace una parada queda marcada en la superficie una línea que indica hasta dónde había progresado la grieta en ese momento). Se ven a simple vista. ▪ Microscópicamente: estriaciones. Cada estriación corresponde al avance de la grieta en un ciclo de carga. Sólo se ven al microscopio. playas estriaciones 1-59  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS Factores que afectan a la vida a fatiga ▪ Tensión media aplicada (perjudiciales las de tracción, buenas las de compresión). ▪ Factores de diseño (peligroso si favorecen la concentración de tensiones). ▪ Condición superficial (interesa alta dureza en la superficie para que no sea fácil mover dislocaciones y generar microgrietas). ▪ Acabado superficial (interesa buen acabado, sin rugosidad). ▪ Calidad del material (bajo contenido en inclusiones y estructura granular homogénea y fina). ▪ Plasticidad del material (interesa buena ductilidad, que frene las grietas en su avance). ▪ Influencia del medio ambiente (evitar la degradación superficial). ▪ La temperatura (al subir la temperatura, disminuye la dureza). 1-60  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS e. Procesos de fluencia ▪ Fluencia (creep): proceso de fallo en servicio en el que se produce una deformación plástica, permanente y progresiva con el tiempo, bajo condiciones de carga (incluso constante), en materiales sometidos a temperatura elevada. ▪ Se produce en todo tipo de materiales. ▪ En materiales metálicos es un grave problema tecnológico a partir de temperaturas  0,4 Tm (temperatura absoluta de fusión). ▪ En la fluencia hay deformación plástica creciente con el tiempo, incluso sin cambiar la tensión aplicada (esto no es lo que se observa en el ensayo de tracción, que se realiza a baja temperatura). ▪ A alta temperatura, incluso aunque la carga constante sea inferior al límite elástico, el material puede ir deformando progresivamente, hasta rotura. 1-61  1.6. OTRAS PROPIEDADES MECÁNICAS ▪ Parámetros fundamentales en los procesos de fluencia: ▪ Tiempo hasta la rotura. ▪ Velocidad de deformación por fluencia. 1-62 1.7. PROPIEDADES FÍSICAS 1-63  1.7. PROPIEDADES FÍSICAS a. Densidad. (masa/volumen). ▪ Alta en metales, baja en polímeros y cerámicos. ▪ Importancia para minimizar peso. ▪ Propiedades específicas. ▪ Importante en aplicaciones aeroespaciales (ligereza) u otras (contrapesos, minimización de volúmenes, etc.). Unidades Aluminio Magnesio Titanio Berilio Hierro Densidad kg / m3 2.700 1.740 4.510 1.850 7.800 b. Viscosidad y tensión superficial. (relacionadas con el fluido). ▪ Afecta a procesos de obtención, como el moldeo. ▪ Puede impedir obtener piezas con la geometría buscada, o con la tolerancia o el acabado superficial deseado. ▪ El acabado superficial de un conducto o una bomba puede dificultar el paso del fluido, producir un cambio de régimen, etc. 1-64  1.7. PROPIEDADES FÍSICAS c. Propiedades térmicas. c.1. Temperatura de fusión. ▪ Determina temperaturas de servicio. ▪ Importancia en fluencia y fenómenos difusivos (T>0,4 Tf). ▪ Influencia en tratamientos térmicos. ▪ Influencia en moldeo. Aluminio Magnesio Titanio Berilio Hierro T de fusión 660 649 1667 1287 1536 (ºC) T de ebullición 2520 1090 3285 2970 2860 (ºC) c.2. Coeficiente de dilatación (expansión térmica). ▪ Si es alto, riesgo de generación de tensiones en servicio. ▪ Problemas en uniones. ▪ Si es alto, riesgo de distorsiones con cambios de T. ▪ Si es alto, riesgo de agrietamiento en moldeo. ▪ Si es alto, riesgo de choque térmico. 1-65  1.7. PROPIEDADES FÍSICAS c.3. Conductividad térmica. ▪ Importancia en fenómenos con transmisión de calor. ▪ Influencia en tratamientos térmicos. ▪ Si es baja, riesgo de choque térmico (por gradientes térmicos). ▪ Si es baja, riesgo de calentamientos locales. ▪ Si es alta riesgo de deformaciones y distorsión (ej. Soldaduras). ▪ Si es alta, usos como disipadores de calor. ▪ Si es baja, barreras térmicas (cerámicos). c.4. Calor específico. Cantidad de calor que necesita una unidad de masa para elevar su temperatura un grado (centígrado o Kelvin). ▪ Influencia en tratamientos térmicos, fusión, soldadura. ▪ Acumuladores de calor (Be) Al Mg Ti Be Fe Calor específico 894 1016 514 1964 443 (J / kg·K) Coeficiente de dilatación 22,5 26 8,8 12 12,1 (x 10-6 / K) Conductividad térmica 222 167 16 180 73,3 (W / m ) 1-66  1.7. PROPIEDADES FÍSICAS d. Propiedades eléctricas y magnéticas. (Materiales funcionales). d.1. Conductividad eléctrica (frente a resistencia eléctrica). ▪ Interesa el valor específico: cableado eléctrico de los aviones. Composiciones de alta pureza. ▪ Aislantes eléctricos. Riesgo de carga y descarga eléctrica. ▪ Materiales dieléctricos. ▪ Corrientes inducidas y parásitas. ▪ Superconductividad (resistencia eléctrica nula). Tª crítica. d.2. Piezoelectricidad. ▪ Efecto directo: al deformar el piezoeléctrico, se genera un voltaje. ▪ Efecto inverso: al aplicar un voltaje, el piezoeléctrico se deforma. ▪ Suelen ser cerámicos iónicos. ▪ Transductores, equipos electrónicos, sensores, generación de energía. 1-67  0.2. PROPIEDADES FÍSICAS d. Propiedades eléctricas y magnéticas. d.3. Comportamiento magnético. ▪ Materiales diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos. Temperatura de Curie. ▪ Ferromagnético: El material se polariza al aplicar un campo eléctrico (almacenamiento de información). ▪ Sensores, detectores. ▪ Son cerámicos. e. Propiedades ópticas. e.1. Reflectividad. ▪ Amplitud campo electromagnético reflejado/incidente. e.2. Absorbancia y transmitancia. ▪ Transparencia/opacidad. ▪ Protección en sistemas tripulados. 1-68 1.8. PROPIEDADES QUÍMICAS 1-69  1.8. PROPIEDADES QUÍMICAS a. Estabilidad química. ▪ Relacionada los cambios estructurales. ▪ Relación con la reactividad química (con otros materiales o con el ambiente). ▪ Depende de factores como la electronegatividad o la valencia (metales), polaridad, enlaces dobles y triples (polímeros). ▪ Influencia de la temperatura. b. Oxidación. ▪ Autopasivación. ▪ Aislamiento eléctrico (los óxidos no son conductores). ▪ Comportamiento en servicio (fatiga, desgaste), los óxidos son cerámicos, tienen alta dureza. 1-70  0.3. PROPIEDADES QUÍMICAS ▪ Relación de Pilling-Bedworth: cociente entre el volumen de óxido formado y el volumen del metal consumido en la reacción de oxidación. Metal Óxido R Metal Óxido R Oxidación: M → M+n + ne- K K2O 0,45 Be BeO 1,68 Reducción: O + 2e- → O-2 Na Na2O 0,57 Ti TiO2 1,76 Reacción química: Ca CaO 0,64 Si SiO2 1,88 2 M + (n/2) O2 → M2On Mg MgO 0,81 Cr Cr2O3 2,07 Al Al2O3 1,28 Fe Fe2O3 2,14 Pb PbO 1,40 V V2O3 3,18 Vox M d R= = Ni NiO 1,52 W WO3 3,35 VM n  D  A Cu Cu2O 1,64 Mo MoO3 3,40 1-71  1.8. PROPIEDADES QUÍMICAS ▪ R < 1 (VÓX < VM) → óxidos porosos no protectores. ▪ La capa es porosa → la oxidación directa prosigue de forma permanente → el espesor de la capa de óxido crece linealmente con el tiempo. Ejemplo: magnesio. ▪ R > 1 (VÓX > VM): el óxido puede formar capas de óxido protector. La protección dependerá de las características del óxido. ▪ Si es posible la difusión de reactantes a través de la capa → el espesor crece de forma parabólica con el tiempo. ▪ Si la capa de óxido impide la difusión → el espesor crece asintóticamente con el tiempo → pasivado. Metales que se autopasivan: aluminio, titanio, cromo. ▪ R >> 1 (VÓX >> VM): El óxido es excesivamente voluminoso → puede perder el carácter protector debido a las tensiones internas que se generan, descascarillando la capa. Ejemplo: hierro, aceros. 1-72  1.8. PROPIEDADES QUÍMICAS Leyes de crecimiento de la capa de óxido: lineal, parabólica o asintótica. Peso ganado por unidad de área ▪ Factores de los que depende la ley de oxidación: ▪ Características del metal y de los óxidos. ▪ Atmósfera de exposición. ▪ Temperatura de servicio (la Tiempo Lineal Asintótica temperatura acelera el proceso). Parabólica Si un material se autopasiva, y lo añadimos como aleante en una cantidad suficiente a otro material que no tiene buen comportamiento a oxidación, podrá formarse una capa de óxido protectora del elemento aleante, y el material base quedará protegido (ejemplo: aceros inoxidables, aleaciones Fe-Cr). 1-73  1.8. PROPIEDADES QUÍMICAS c. Corrosión. ▪ Potencial electroquímico. Al Mg Ti Be Fe Potencial electroquímico -1,7 -2,3 -1,6 -1,7 -0,4 (V) ▪ Corrosión galvánica. El metal con menor potencial electroquímico (más electronegativo) tiende a actuar como ánodo y se corroerá, mientras el más electropositivo actúa como cátodo y no sufre daño. ▪ Problemas de compatibilidad (aluminio/compuesto). ▪ Influencia de la temperatura: acelera la corrosión. ▪ Posibilidad de protección (cadmiado, anodizado). ▪ Ánodos de sacrificio (aceros/magnesio). Las capas de óxido protectoras no solo protegen a oxidación, también a corrosión: deben ser degradadas por el ambiente antes de atacar al metal base. 1-74