Materia: Ciencia de los Materiales Fuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3 Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

CIENCIA DE LOS MATERIALES 2010

COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS MATERIALES METÁLICOS PROPIEDADES MECÁNICAS BÁSICAS

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

1

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

COMPORTAMIENTO MECÁNICO • Se define como comportamiento mecánico, a la respuesta que tiene un material a las solicitaciones mecánicas que se lo somete. Este comportamiento se evalúa ó cuantifica mediante una serie de propiedades que surgen de distintos tipos de ensayos. F

F F

F

Tracción Compresión

F F Tracción

F

F Compresión

Flexión

Corte

Torsión

• Estas propiedades se denominan genéricamente Propiedades Mecánicas Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

2

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

PROPIEDADES MECÁNICAS BÁSICAS • Son el grupo de propiedades más importantes, dado que no pueden ser ignoradas en: • Aplicaciones en Ingeniería Ä Diseño Mecánico Ä Selección de Materiales • Algunas de estas propiedades se utilizan cuantitativamente en el cálculo resistencial ó Dimensionamiento (piezas y estructuras) ó como requerimientos impuestos en las especificaciones que el material debe cumplir. Las principales son: Ä Tensión de Fluencia Ä Resistencia a la Tracción Ä Resistencia a la Fatiga Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Comportamiento Mecánico de los Materiales Metálicos Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

3

1

1 de 12

Materia: Ciencia de los Materiales Fuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3 Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

ENSAYO DE TRACCIÓN • En el ensayo de tracción se somete la probeta a una carga uniaxial • En general, se controla la velocidad de desplazamiento de uno de los cabezales, de manera tal que la carga se incrementa en la medida que el material se endurece

• Cuando se localiza la deformación (formación de un cuello en la probeta), se produce un estado complejo de tensiones triaxiales Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

4

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

ENSAYO DE TRACCIÓN • Máquina de Ensayos

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

5

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

ENSAYO DE TRACCIÓN • Curva de tracción convencional para un material con zona de fluencia R

P

P = carga uniaxial aplicada R = P/S0 = tensión convencional

Rm

e = ∆l/l0 = deformación convencional Rm = Pmáx./S0 = resistencia a la tracción

ReL

ReL = PeL./S0 = tensión de fluencia A = ∆lt/l0 = alargamiento Z = (S0 – Sf )/S0 = reducción de área Alarg. uniforme

0

∆lu

Estricción

∆lt

∆l e

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Comportamiento Mecánico de los Materiales Metálicos Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

6

2

2 de 12

Materia: Ciencia de los Materiales Fuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3 Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

ENSAYO DE TRACCIÓN • Curva de tracción convencional para un material sin zona de fluencia R

Rp0.2

Rp0.2 = P0.2/S0 = tensión de fluencia

0

0.2 % de l0

e

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

7

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

ENSAYO DE TRACCIÓN • Deformación Elástica y Plástica • Al producirse una solicitación, la influencia de la misma será deformar la estructura • Si la solicitación es de baja intensidad, los iones se retiran de su posición, pero al cesar la misma, los iones recuperan su posición inicial (deformación elástica) σ • Si la solicitación es de alta intensidad, la recuperación no será posible y el sistema queda deformado permanentemente (deformación plástica)

∆σ

∆σ/∆ε = E

∆ε Zona Elástica

Zona Plástica

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

ε

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

8

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

ENSAYO DE TRACCIÓN • Curva de tracción convencional y real σ

Parámetros ingenieriles ó convencionales

R Curva real

R = P/S0 = tensión convencional e = ∆L/L0 = deformación convencional Parámetros reales ó verdaderos

σε

σ

Rm Rp0.2

Curva convencional

= P/S = tensión real

ε = ln (L/L0) = deformación real Relación entre “e” y “ε”

ε = ln (e + 1) e

0

0.2 % de L0 Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Comportamiento Mecánico de los Materiales Metálicos Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

ε Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

9

3

3 de 12

Materia: Ciencia de los Materiales Fuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3 Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN •

Es la resistencia a la deformación plástica. En el caso del ensayo de tracción uniaxial se puede definir de tres maneras diferentes

1. Tensión de Fluencia (Rp0.2 ó ReL): tensión necesaria para iniciar la deformación plástica macroscópica en un policristal. Se mide como el límite de fluencia inferior (ReL) para los metales que presentan zona de fluencia (fluencia discontinua) ó como el límite convencional de fluencia (Rp0.2) para alcanzar una deformación permanente (comúnmente 0.2 %) para aquellos que no la presentan 2. Resistencia a la Tracción (Rm): valor de la tensión convencional máxima. No tiene un significado físico, simplemente es una cantidad fácil de medir que da una idea de la resistencia a la deformación del metal cuando se alcanzan grandes deformaciones. Está relacionada con la dureza del metal 3. Resistencia a la deformación: es la tensión necesaria para lograr una cierta deformación. Se utiliza solo en el campo del trabajado mecánico Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

10

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN • Resistencia Mecánica • La Resistencia Mecánica es función de:

M a1

• Parámetro de Red • Modelo geométrico

N a2

• La Resistencia Mecánica es propia de cada metal, dado que tiene una estructura exclusiva • Si el Parámetro de Red es menor para igualdad de átomos y distribución ó de iones ∴ que la fuerza de repulsión entre átomos ó iones es menor y por lo tanto mayor la resistencia a cualquier solicitación externa Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

11

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN • Resistencia Mecánica • A mayor Parámetro de Red ∴ mayor será la Ductilidad • A mayor Parámetro de Red ∴ menor Resistencia Mecánica

M a1

1

2

N a2

• Como a2 > a1 ∴ mayor deformación

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Comportamiento Mecánico de los Materiales Metálicos Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

12

4

4 de 12

Materia: Ciencia de los Materiales Fuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3 Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

DUCTILIDAD •

Es la capacidad que tiene un metal para deformarse plásticamente, en determinadas condiciones (estado de tensión, veloc. de deformación y temperatura)

•

En cualquier ensayo que involucre tensiones de tracción, la ductilidad puede definirse: •

en términos de la deformación plástica máxima hasta alcanzar la rotura (ductilidad a la rotura) •

•

La ductilidad a la rotura se mide como el alargamiento a la rotura ó por medio dela reducción de área

en términos de la deformación plástica máxima antes de que se localice la deformación (ductilidad uniforme) •

La ductilidad uniforme se representa mediante el alargamiento uniforme

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

13

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

TENACIDAD • Es la energía que absorbe el metal durante la deformación plástica y durante el proceso de fractura • Un material tenaz es el que al mismo tiempo posee resistencia a la deformación y tiene gran capacidad de deformación σ

Alta resistencia, baja ductilidad y baja tenacidad Alta resistencia, alta ductilidad y alta tenacidad

Baja resistencia, alta ductilidad y baja tenacidad 0

ε

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

14

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

TENACIDAD • La tenacidad se puede definir y medir de tres maneras: 1. Tenacidad Estática: es la energía absorbida por la probeta durante el ensayo de tracción uniaxial y hasta la fractura. Está dada por el área bajo la curva de tracción real. Es difícil de medir y no tiene mucha aplicación en el diseño mecánico, la selección ó especificación de materiales, dado que las condiciones de estado de tensión σ y velocidad de deformación en las que se mide esta tenacidad suelen ser muy diferentes a las de la mayoría de las piezas en servicio. Solo es útil, como concepto de tenacidad

Tenacidad

0

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Comportamiento Mecánico de los Materiales Metálicos Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

ε Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

15

5

5 de 12

Materia: Ciencia de los Materiales Fuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3 Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

TENACIDAD 2. Tenacidad a la Entalla: es la energía absorbida en un ensayo de flexión por impacto en una probeta entallada (Charpy ó Izod) •

El ensayo consiste en someter al material a condiciones severas que promueven la fractura frágil. Se expresa en Joules

3 Tenacidad a la Fractura ó Fractotenacidad: es un concepto de la 3. Mecánica de Fractura (fuera del alcance de la materia)

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

16

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

Resist. al Impacto [J]

TENACIDAD A LA ENTALLA Ó AL IMPACTO ENSAYO DE CHARPY

0 -80

Frágil

Dúctil

Temp. de Transición

-40

0

Temp. [°C]

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

17

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

RIGIDEZ •

Se define a la rigidez como la resistencia a la deformación elástica

•

La rigidez intrínseca del material se representa mediante el módulo de elasticidad longitudinal E (módulo de Young) ó el módulo elástico transversal ó de corte G (módulo de Coulomb)

•

Dentro de un determinado grupo de aleaciones, éstas propiedades elásticas, son casi insensibles a los cambios en la microestructura (deformación plástica, trat. térmicos, etc.)

•

La rigidez de una pieza ó estructura mecánica, depende de la rigidez intrínseca del material y de la geometría ó estructura mecánica (rigidez estructural)

•

Si se debe aumentar la rigidez, es mucho más lo que se puede hacer cambiando el diseño de la pieza ó estructura; que eligiendo un metal diferente Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Comportamiento Mecánico de los Materiales Metálicos Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

18

6

6 de 12

Materia: Ciencia de los Materiales Fuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3 Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14

MÉTODOS DE DUREZA

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

• Dureza • Es la resistencia que opone un cuerpo a ser penetrado ó rayado por otro más duro • En el caso de los metales, la dureza está relacionada con la resistencia a la deformación plástica • Clasificación Ensayos Estáticos de Penetración

9 Brinell 9 Rockwell 9 Vickers

Ensayos de Rebote (dinámico)

9 Shore

Ensayos de Rayado

9 Mohs

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

MÉTODOS DE DUREZA • Ensayos Estáticos de Penetración: se fuerza un indentador duro contra el material a ensayar produciendo una huella ó una impronta. La relación entre la fuerza aplicada y el área ó la profundidad de la impronta, es una medida de la dureza del material. • Ensayos de Rebote: un objeto de dimensiones y masa conocidos (bolilla), se hace rebotar contra el material a ensayar. La altura del rebote, es una medida de la dureza del material • Ensayos de Rayado: se establecen escalas, donde un material es capaz de rayar a los que están por debajo de la escala.

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

MÉTODOS DE DUREZA

20

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

Ejemplo: Si el número de dureza Brinell es de 350, determinado con una bolilla de diámetro D = 5 mm, con una carga F = 750 kgf, mantenida durante 20 s, se indicará de la siguiente manera: 350 HB 5/750/20 Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Comportamiento Mecánico de los Materiales Metálicos Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

7

7 de 12

Materia: Ciencia de los Materiales Fuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3 Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

EQUIPOS PARA ENSAYOS DE DUREZA

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

RELACIÓN ENTRE LA DUREZA Y LA RESISTENCIA MECÁNICA •

Dado que tanto la resistencia mecánica como la dureza indican la resistencia a la deformación plástica de un metal, parece lógico que exista una cierta correlación

•

En el caso de algunos grupos de materiales metálicos, ésta correlación es muy confiable, pero para otros no tanto

•

En el caso de los aceros ferríticos (aceros al Carbono sin alear), en cualquier l i estado t d metalúrgico, t lú i se cumple l con muy buena b aproximación: i ió Rm [Kg/mm2] =

Cúbica Simple

Cúbica Centrada en el Cuerpo

HB 3

Cúbica Centrada en las Caras

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

23

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO Y TÉRMICO DE LOS MATERIALES METÁLICOS

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Comportamiento Mecánico de los Materiales Metálicos Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

24

8

8 de 12

Materia: Ciencia de los Materiales Fuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3 Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

COMPORTAMIENTO TÉRMICO • Se define como comportamiento térmico, a la respuesta que tiene un material al ser calentado • Propiedades Térmicas 9 Capacidad calorífica 9 Dilatación térmica 9 Conductividad térmica

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

25

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

COMPORTAMIENTO TÉRMICO • Capacidad Calorífica • La capacidad calorífica es la propiedad que indica la capacidad de un material de absorber calor de su entorno; representa la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura en una unidad

C=

dQ ____ dT

Donde: dQ = energía necesaria para producir un cambio dT en la temp.

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

26

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

COMPORTAMIENTO TÉRMICO • Dilatación Térmica • La mayoría de los materiales sólidos se expanden cuando son calentados y se contraen cuando son enfriados. El cambio de longitud con la temperatura, puede expresarse como: Donde:

α.∆T =

∆L ____ L0

∆L = variación i ió d de llongitud it d (Lf – Li) ∆T = variación de temperatura (Tf – Ti) L0 = longitud inicial α = coefic. lineal de dilatación térmica

• El coeficiente lineal de dilatación térmica, indica el grado de dilatación que experimenta un material cuando es calentado Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Comportamiento Mecánico de los Materiales Metálicos Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

27

9

9 de 12

Materia: Ciencia de los Materiales Fuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3 Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

COMPORTAMIENTO TÉRMICO • Conductividad Térmica • La conductividad térmica K, es una medida de la intensidad a la que el calor se transmite a través del material. La conductividad relaciona el calor Q transmitido a través de una determinada sección A por segundo, cuando existe un gradiente de temperatura ∆T/∆x ∆T

Q A

=K

A

∆T ∆x

Q

∆x

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

28

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

COMPORTAMIENTO TÉRMICO • A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura y sus dimensiones aumentan • Si se continua entregando calor, la energía puede transportarse hacia las regiones más frías de la muestra si existe un gradiente de temperatura, con lo cual, el sistema se hace altamente dinámico • Si continuamos entregando calor, finalmente, provocaremos la fusión de la muestra

Sale de la estructura

>a

Q Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

29

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO • Conductividad Eléctrica • Algunas veces se utiliza la conductividad eléctrica (σ), para especificar el carácter eléctrico de un material. Se define como el recíproco de la resistividad Donde:

1 σ = ____ ρ

J σ = ____ E

R.A ____

____

ρ=

L

⇒

R =

ρ.L A

σ = conductividad eléctrica ρ = resistividad eléctrica J = densidad de corriente E = intens. de campo eléctrico R = resistencia eléctrica L = longitud del conductor A = sección transv. del conductor

• La resistividad eléctrica (ρ) es una propiedad intrínseca de cada material Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Comportamiento Mecánico de los Materiales Metálicos Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

30

10

10 de 12

Materia: Ciencia de los Materiales Fuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3 Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO • Conductividad Eléctrica • Es una medida de la facilidad con que la corriente eléctrica pasa a través de una unidad de volumen del material • Efecto de la Temperatura • Cuando se eleva la temperatura de un metal, la energía térmica provoca la vibración de lo iones, que interactúan con los electrones • Al aumentar la temp. ⇒ la movilidad de los electrones disminuye ∴ la resistividad aumenta (los electrones tienen menor capacidad de conducción que actúan como vehículo de transporte de cargas, que encuentran cada vez más dificultades para viajar a través de la estructura cada vez más desordenada) Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

31

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO • Conductividad Eléctrica

Electrón

Movimiento de un electrón a t a és de un través nc cristal istal pe perfecto fecto

Electrón

Movimiento de un electrón a ttravés é de d un cristal i t l calentado l t d a alta temperatura Electrón

Movimiento de un electrón a través de un cristal que contiene defectos en la red Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

32

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO • Resistencia Eléctrica • Es una medida de la dificultad del paso de la corriente eléctrica, a través de un volumen de material ó la oposición de la estructura al paso de los electrones • La resistencia aumenta con la longitud y aumenta conforme di i disminuye ell área á d la de l sección ió transversall del d l material i l a través del cual pasa la corriente

ρ.L R = ____ A

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Comportamiento Mecánico de los Materiales Metálicos Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

33

11

11 de 12

Materia: Ciencia de los Materiales Fuente: Mechanical Metallurgy – G. Dieter, Ed. 3 Fuente: Laboratorio de Ensayos Industriales – A. González Arias, Ed. 14

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO • Superconductividad Eléctrica • Cuando algunos cristales perfectos, son enfriados a una temperatura de 0 °K, los mismos pueden comportarse como superconductores, dado que la resistividad se hace nula y la corriente fluye indefinidamente en el material, aumentando la conductividad (máxima)

T = 0 °K

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Comportamiento Mecánico de los Materiales Metálicos Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

34

12

12 de 12