Tema 3 – Propiedades mecánicas de los materiales PDF

Tema 3 – Propiedades mecánicas de los materiales Área de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica Universitat Jaume I Curso 2023 – 2024 Objetivos Después del estudio del tema, lectura de la bibliografí...

Tema 3 – Propiedades mecánicas de los materiales Área de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica Universitat Jaume I Curso 2023 – 2024 Objetivos Después del estudio del tema, lectura de la bibliografía recomendada y la correspondiente realización de las actividades propuestas en clase y en el aula virtual, el alumno debería ser capaz de: Definir tensión ingenieril y deformación ingenieril. Citar la ley de comportamiento elástico lineal (Ley de Hooke) e identificar en qué condiciones se cumple la misma. Definir el coeficiente de Poisson y calcular las deformaciones transversales a partir de deformaciones axiales en tracción y compresión. Dada una curva de tensión-deformación, determinar: a) el módulo de elasticidad, b) el límite elástico convencional s0,2) c) la Resistencia a tracción, y d) la deformación remanente o plástica en cualquier punto de la curva. Describir y calcular la ductilidad en términos de porcentaje de elongación y como reducción de área. Proporcionar las definiciones y unidades de los módulos de resiliencia y tenacidad. Describir los ensayos de dureza típicos (Brinnell, Rockwell, Vickers y Knoops) y relacionar la dureza Brinnell con la resistencia a tracción de los aceros. Describir los ensayos de impacto Charpy e Izod e interpretar la temperatura de transición dúctil-frágil con los valores de impacto Charpy. Utilizar las unidades correctas de fuerza, tensión, desplazamiento, deformación, energía, etc. Y mostrar soltura en el cambio de las mismas para la resolución de problemas numéricos. Proporcionar las dimensiones adecuadas de un componente sometido a tracción para que cumpla con una serie de requisitos mecánicos. Aplicar correctamente el coeficiente de seguridad en cálculos de dimensionado de componentes. Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 2 Contenidos Introducción Ensayosmecánicos – Tracción – Compresión – Flexión – Cizalladura / Torsión Dureza Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 3 Contenidos Los materiales pueden estar sometidos a tensiones mecánicas cuando están en condiciones de servicio. ¿Cómo podemos saber si su comportamiento va a ser adecuado? Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 4 Introducción El comportamiento mecánico determina la respuesta de un material cuando se encuentra sometido a esfuerzos mecánicos: tracción, compresión, cizalladura, etc. Relación entre fuerza aplicada y respuesta del material Las propiedades de los materiales se determinan mediante ensayos normalizados Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Introducción Ensayos mecánicos Consisten en la aplicación de una perturbación en el material, de forma que registramos cómo éste se comporta en condiciones de trabajo. Ensayos normalizados La determinación correcta de las propiedades del material requiere que las condiciones empleadas para realizar las pruebas sean reproducibles en cualquier laboratorio (es decir, condiciones estándar). Los organismos que desarrollan y clasifican normas internacionales son conocidos por sus siglas ASTM, ISO y UL, siendo agencias nacionales las que adaptan estas normas a sus países como AFNOR, UNE, DIN, etc. ▪ Nivel de certeza: control o científico. ▪ Incidencia sobre el material: destructivo o no. ▪ Métodos utilizados: físico, químico, mecánico, metalográfico. Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Introducción ⚫ Manifestación general: Respuesta = (Constante relación) x Estímulo Variación dimensional Fuerza mecánica Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Introducción. Definiciones Tensión ingenieril – Fuerza aplicada por unidad de superficie Unidades (N/mm2; Pa) σ = F/Ao 1 N/m2 = 1 Pa PSI (libras/pulgada2) Deformación ingenieril – Variación dimensional resultante de la fuerza aplicada Elástica: el material recupera su forma al cesar la fuerza Plástica: el material no recupera su forma al cesar la fuerza Adimensional (mm/mm o %) Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Introducción. Definiciones Comportamiento Elástico Deformación elástica Recuperación elástica Kg Kg https://www.youtube.com/watch?v=YKpvYF0hVDE Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Introducción. Definiciones Comportamiento Elástico + plástico Deformación plástica Deformación Recuperación Kg Kg elástica https://www.youtube.com/watch?v=yAIb3T9DPyE Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Introducción. Definiciones El comportamiento viscoelástico depende del tiempo. Hay una deformación elástica inicial (instantánea) y flujo al mismo nivel de tensión, que aumenta con el tiempo. Fenómenos como fluencia, relajación de tensiones, comportamiento anelástico, etc. Recuperación Deformación viscoelástica elástica Deformación Kg Recuperación plástica Kg (viscosa) elástica no- instantánea (anelástica) Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Contenidos Introducción Ensayos mecánicos – Tracción – Compresión – Flexión – Cizalladura / Torsión Dureza Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 12 Ensayos mecánicos Ensayos: reproducen las condiciones de servicio – Tipo de cargas (tracción, compresión, torsión, etc.) – Duración de las cargas – Forma de aplicación (progresiva, súbita, etc.) – Condiciones del medio (Tª, presión, etc.) Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Tipos comunes de esfuerzos Diferentes geometrías de esfuerzos: Tracción Compresión F F A o = sección Flexión Cizalla Torsión 14 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Contenidos Introducción Ensayosmecánicos – Tracción Parámetros mecánicos; Comportamiento elástico; Comportamiento plástico. – Compresión – Flexión – Cizalladura / Torsión Dureza Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 15 Ensayos mecánicos Ensayo de tracción: Se aplica una fuerza (carga) axial de tracción que varía lentamente a velocidad constante sobre la probeta hasta su rotura. F Esfuerzo (stress); Tensión ingenieril: A0 sing = F/A0 l0 l Deformación (strain) ingenieril: Alargamiento ing = (l- l0)/l0 = l/l0 ing (%) = ((l- l0)/l0) 100 donde F y l son la fuerza y la longitud en cada momento. Por F defecto, se entiende siempre que la tension y la deformación (s y ), en ausencia de subíndices, son ingenieriles Tracción 16 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Ensayo de tracción Equipo habitual Muestra habitual extensómetro muestra gauge length 17 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Ensayo de tracción Detalles del equipo Mordaza de sujeción Extensómetro 18 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Ensayo de tracción Ensayo de tracción - Resistencia de materiales - YouTube https://www.youtube.com/watch?v=D8U4G5kcpcM https://www.youtube.com/watch?v=-5CStao_C2U 19 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Ensayo de tracción Método de ensayo (ASTM E-8): – La probeta se ha de fijar a las garras de la máquina. – Se coloca un extensómetro en la probeta. – La máquina desplaza una de las mordazas en la dirección de la probeta a velocidad constante (ej. 10 mm/min). – Se registra la fuerza necesaria para garantizar dicho desplazamiento y la deformación de la probeta (rotura). 20 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Ensayo de tracción Tipos de probetas: Muestras estandarizadas con una sección transversal central uniforme para garantizar que se produzcan deformaciones dentro de la región calibrada. Sección redonda Sección rectangular 21 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Ensayo de tracción Progreso típico de un ensayo de tracción (metal dúctil) 22 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Ensayo de tracción Aluminio 2024-T81 Fracture 23 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Ensayo de tracción 24 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Deformación elástica Ciclo de carga: Aumenta la deformación a medida que se incrementa la tensión. En la mayoría de casos se mantiene la PROPORCIONALIDAD 25 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Deformación elástica Ciclo de descarga: La deformación desaparece al cesar la tensión, es reversible. Deformación no permanente 26 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Deformación elástica ⚫ Manifestación general: Respuesta = (Constante relación) x Estímulo Propiedad característica de cada material 27 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Deformación elástica: Ley de Hooke Tensión proporcional a la deformación s = E· Ley de Hooke E → módulo de elasticidad (Young) – Expresa la rigidez/elasticidad de cada material – Valores habituales 0,004-400 GPa 28 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Deformación elástica: módulo de elasticidad E El módulo de elasticidad (módulo de Young) se obtiene de la ley de Hooke, o gráficamente, de la pendiente de la curva tensión vs. deformación en su rango elástico-lineal: 𝜎 𝐸= = tg(𝛼) 𝜀 29 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Deformación elástica: módulo de elasticidad E E es proporcional a la  dF  pendiente de la curva E   fuerza – distancia  dr  r0 interatómica en r0. El módulo de Young indica con qué fuerza están unidos los átomos entre sí. Pequeña vibración sobre la posición En el caso de los inicial de los sólidos moleculares, la átomos fuerza de enlace intermolecular. 30 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Deformación elástica: módulo de elasticidad E E(cerámicos)> E(metales)>> E(polímeros) 31 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Comparación entre módulos de Young Graphite Metals Composites Ceramics Polymers Alloys /fibers Semicond 1200 1000 Diamond 800 600 Si carbide 400 Tungsten Al oxide Carbon fibers only Molybdenum Si nitride E(GPa)200 Steel, Ni Tantalum Platinum Si crystal CFRE(|| fibers)* Aramid fibers only Cu alloys 100 Zinc, Ti 80 Silver, Gold Glass -soda AFRE(|| fibers)* Aluminum Glass fibers only 60 Magnesium, GFRE(|| fibers)* 40 Tin Concrete GFRE* 109 Pa 20 Graphite CFRE* GFRE( fibers)* 10 8 CFRE( fibers) * 6 AFRE( fibers) * Polyester 4 PET PS PC Epoxy only Materiales compuestos: 2 Datos basados en resina epoxi PP 1 HDPE reforzada con un 60% (vol) de fibras 0.8 alineadas de: 0.6 Wood( grain) Carbono (CFRE) PTFE 0.4 Aramida –Kevlar– (AFRE) Vidrio (GFRE) 0.2 LDPE 32 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Comparación entre módulos de Young El modulo de Young está relacionado con la Tra de fusion. 33 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Módulo de elasticidad y Tª El módulo de elasticidad (módulo de Young) disminuye al aumentar la temperatura Debido a las vibraciones térmicas, los átomos ofrecen menor resistencia a ser separados a mayor temperatura. 34 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Deformación elástica lateral. Coef. Poisson n Coeficiente de Poisson Cuando se produce una deformación en un eje, las dimensiones laterales se deforman en sentido contrario. Si estiramos en un eje, se encojen los ejes transversales, mientras que, si comprimimos el eje axial, se expanden los ejes transversales. Esta relación es lineal en el rango elástico y el coeficiente de proporcionalidad se denomina coeficiente de Poisson (n) 35 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Coeficiente de Poisson El coeficiente de Poisson (n) se define como el cociente entre las deformaciones laterales (ejes x e y) y axiales (eje z) Muestra paralelepipédica: F x/2 x/2 −x −y z/2 n= = z z Muestra cilíndrica: −r n= z/2 z F 36 Ciencia y Tecnología de Materiales. EX1015 Coeficiente de Poisson metales: n ~ 0.33 −x −y cerámicas: n ~ 0.25 n= = polímeros: n ~ 0.40 z z − d d 0 n= L L0 −r Unidades: n= E: [Pa] (o múltiplo) z : adimensional n: adimensional  r= (D-D0)/D0 0< n