Capítulo 6. Propiedades y comportamiento mecánico

Capítulo 6. Propiedades y comportamiento mecánico.

Importancia tecnológica.

En muchas de las tecnologías emergentes en la actualidad, se hace hincapié en las propiedades mecánicas de los materiales que se usan. Por ejemplo, en la fabricación de aviones, las aleaciones de aluminio o los materiales compuestos reforzados con carbono, usados para componentes de aviones, deben ser ligeros, resistentes u deben resistir cargas mecánicas cíclicas durante un periodo largo y predecible. Los aceros empleados en la construcción de estructuras, como en edificios y puentes, deben tener la resistencia adecuada como para que se puedan construir son poner en peligro la seguridad. Esto implica para cualquier tipo de fabricación.

Terminología de las propiedades mecánicas.

Hay distintas clases de fuerzas o esfuerzos que se presentan al tratar las propiedades mecánicas de los materiales. En general, se define esfuerzo como una fuerza que actúa sobre el área unitaria en la que se aplica. El esfuerzo se suele expresar en Pa (pascales) o en psi (libras por pulgadas cuadradas, por sus siglas en inglés). La deformación unitaria no tiene dimensiones y con frecuencia se expresa en pulg/pulg o en cm/cm.

• La deformación (unitaria) elástica. Se define como una deformación restaurable debido a un esfuerzo aplicado. La deformación es elástica si se desarrolla en forma instantánea; es decir, se presenta tan pronto como se aplica la fuerza, permanece mientras se aplica el esfuerzo y desaparece tan pronto como se retira la fuerza. Un material sujeto a una deformación elástica no muestra deformación permanente; es decir, regresa a su forma original cuando se retira la fuerza o el esfuerzo.

• Módulo de Young o módulo de elasticidad (E). En muchos materiales, el esfuerzo y la deformación elásticos siguen una ley lineal. La pendiente en la porción lineal de la curva esfuerzo contra deformación unitaria a tensión define al módulo de Young o módulo de elasticidad de un material. Las unidades E se miden en pascales (Pa) o en libras por pulgada cuadrada (psi), las mismas que las de esfuerzo.

• Deformación plástica. La deformación permanente en un material se llama deformación plástica. En este caso, cuando se quita el esfuerzo, el material no regresa a su forma original.

• Flexibilidad o capacidad elástica de deformación. El inverso del módulo de Young se llama flexibilidad del material. De forma parecida, se define al módulo de elasticidad cortante (G) como la pendiente de la parte lineal de la curva de esfuerzo cortante contra deformación cortante.

• Velocidad de deformación. La rapidez con la que se desarrolla la deformación en un material se define como velocidad de deformación. Las unidades de la velocidad de deformación son s-1.

• Carga de impacto o dinámica. Cuando los materiales se sujetan a grandes velocidades de deformación, le llamamos a la carga que la genera como carga de impacto o dinámica.

• Material viscoso. Es uno en el cual se desarrolla la deformación durante cierto tiempo, y el material no regresa a su forma original al quitar el esfuerzo. El desarrollo de la deformación toma tiempo, y no está en fase con el esfuerzo aplicado.

• Material viscoelástico o anelastico. Este puede concebirse como uno cuya respuesta es intermedia entre la de un material viscoso y un material elástico. El termino anelastico se suele aplicar en los metales, mientras que viscoelástico se suele asociar a los materiales poliméricos.

• Relajación de esfuerzo. En los materiales viscoelástico mantenidos bajo deformación constante, al pasar el tiempo, la magnitud del esfuerzo disminuye. A esto se le llama relajación de esfuerzo.

El ensayo de tensión: uso del diagrama esfuerzo-deformación untaría.

Este ensayo es utilizado para medir la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Esta prueba consiste en alargar una probeta de ensayo por fuerza de tensión, ejercida gradualmente, con el fin de conocer ciertas propiedades mecánicas de materiales en general: su resistencia, rigidez y ductilidad. Sabiendo que los resultados del ensayo para un material dado son aplicables a todo tamaño y formas de muestra, se ha establecido una prueba en la cual se aplica una fuerza de tensión sobre una probeta de forma cilíndrica y tamaño normalizado, que se maneja universalmente entre los ingenieros. Este ensayo se lleva a cabo a temperatura ambiente entre 10ºC y 35ºC. A continuación se presenta un dispositivo utilizado para realizar este tipo de ensayos (Ver Figura No. 1).

El comportamiento de los distintos materiales frente al ensayo se encuentra ilustrado en la siguiente grafica. La figura No. 2 muestra en forma cualitativa las curvas de esfuerzo-deformación unitaria normales para un metal, un material termoplástico, un elastómero y un cerámico. En esta figura, las escalas son cualitativas y distintas para cada material. En la práctica, las magnitudes reales de los esfuerzos y las deformaciones pueden ser muy distintas entre sí.

Se supone que el material plástico esta arriba de su temperatura de transformación vítrea (Tg), mientras que los materiales metálicos y termoplásticos muestran una región inicial elástica, seguida por una región plástica no lineal. También se incluye una curva aparte para los elastómeros (es decir, hules o siliconas), ya que el comportamiento de esos materiales es distinto del de otros materiales poliméricos. Para los elastómeros, una gran parte de la deformación es elástica y no lineal. Por otra parte los cerámicos y los vidrios solo muestran una región elástica lineal y casi nunca muestran deformación plástica a temperatura ambiente. (Ver figura No. 2).

• Esfuerzo y deformación ingenieriles. Los resultados de un solo ensayo se aplican a todos los tamaños y secciones transversales de especímenes de determinado material, siempre que se convierta la fuerza en esfuerzo, y la distancia entre marcas de calibración se convierta a deformación. El esfuerzo ingenieril (lb/pul2) y la deformación ingenieril (pul/pul) se definen con las siguientes ecuaciones:

Donde:

• F: Fuerza aplicada en la probeta (lb)

• A0: Área de la sección transversal original de la probeta. (pul2)

• Lo: Longitud calibrada antes de la aplicación de la carga.

• L: Longitud adquirida por la sección calibrada, al iniciar la aplicación de la carga.

Propiedades obtenidas en el ensayo de tensión.

• Resistencia de cedencia. Es el esfuerzo al cual ocurre un aumento de deformación para cero incrementos de esfuerzo. En este punto

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