PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES INTRODUCION

PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES

INTRODUCION

• El diseño de máquinas y estructuras requiere, para su correcto funcionamiento, que comprendamos el comportamiento mecánico de los materiales que se utilicen.
• En el caso ordinario, la única forma de determinar cómo se comportan los materiales cuando se someten a cargas, es efectuar experimentos en el laboratorio.
• El procedimiento normal es colocar probetas (o especímenes o muestras) pequeñas del material en máquinas de prueba, aplicar las cargas y medir entonces las deformaciones resultantes (a través de cambios de longitud y cambios de diámetro en la sección transversal de las muestras).[pic 1]
• Una máquina de pruebas de tensión característica se ve en la Figura N° 1. El espécimen de prueba se instala entre los dos sujetadores grandes de la máquina y a continuación se carga en tensión. Las deformaciones se registran por medio de dispositivos de medición y con sistemas de control automático y de procesamiento de datos se tabulan y se grafican los resultados.

[pic 2]

FIGURA N° 1

• Estas máquinas son capaces de someter especímenes a cargas de diversas formas, incluyendo cargas estáticas y dinámicas en tensión y en compresión.
• Para que los resultados de la prueba sean comparables, se deben normalizar (“estandarizar”) las dimensiones de los especímenes de prueba y los métodos de aplicación de las cargas: en los países existen organizaciones normativas.
• Al iniciar el ensayo, se mide y se registra la carga axial P, ya sea en forma automática o leyendo un indicador. En forma simultánea se mide el alargamiento en la longitud calibrada con métodos mecánicos  o con extensómetros  (o deformímetros o calibradores de deformación) de resistencia eléctrica. Los extensómetros (o elongámetro o extensímetro) miden el alargamiento durante la carga. FIGURA N° 2[pic 3]

[pic 4]

FIGURA N° 2

• En una prueba estática, la carga se aplica en forma gradual y la rapidez de la carga no tiene interés porque no afecta el comportamiento del espécimen. Sin embargo, en una prueba dinámica la carga se aplica con rapidez y a veces en forma cíclica. Como la naturaleza de una carga dinámica afecta las propiedades de los materiales, también se debe medir la velocidad o tasa de carga.
• Las pruebas de compresión en materiales se acostumbran realizar en pequeños especímenes en forma de cubo o de cilindro circular. Se miden tanto la carga que aplica la máquina, como el acortamiento del espécimen. El acortamiento se debe medir sobre una longitud calibrada que sea menor que la longitud total del espécimen para eliminar los efectos en los extremos.
• El concreto se ensaya en compresión cuando se usa en proyectos importantes de construcción, para asegurar haber obtenido la resistencia requerida. Una clase de probeta de concreto tiene 6 pulgadas de diámetro, 12 pulgadas de longitud y 28 días de edad (la edad del concreto es importante, porque aumenta su resistencia a medida que fragua o se cura).

EL DIAGRAMA ESFUERZO ( – DEFORMACION UNITARIA ()[pic 5][pic 6]

• A partir de los datos de un ensayo de tensión o compresión, es posible calcular varios valores del esfuerzo (y la correspondiente deformación () en el especímen y luego graficar los resultados. La curva resultante se llama diagrama esfuerzo – deformación unitaria y hay dos maneras de describirlo:[pic 7][pic 8]

MANERA 1: Usando los datos registrados, podemos determinar el esfuerzo nominal o de ingeniería (dividiendo la carga P aplicada entre el área Ao de  la sección transversal original del espécimen. Este cálculo supone que el esfuerzo es constante en la sección transversal y en toda la región entre los puntos calibrados. Tenemos:[pic 9]

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MANERA 2: De la misma manera, la deformación nominal o de ingeniería (se determina directamente leyendo el calibrador o dividiendo el cambio en la longitud calibrada , entre la longitud calibrada original del especímen Lo. Aquí se supone que la deformación unitaria es constante en la región entre los puntos calibrados. Entonces:[pic 11][pic 12]

[pic 13]

• Si se grafican los valores correspondientes de  y , con los esfuerzos como ordenadas (eje vertical) y las deformaciones unitarias como abscisas (eje horizontal), la curva resultante se llama diagrama convencional de esfuerzo – deformación unitaria.[pic 14][pic 15]
• Este diagrama proporciona los medios para obtener datos sobre la resistencia a tensión (o compresión) de un material sin considerar el tamaño o forma geométrica del material.
• Debe ser claro que nunca serán exactamente iguales dos diagramas esfuerzo – deformación unitaria para un material particular, ya que los resultados dependen entre otras variables de la composición del material, de imperfecciones microscópicas, de la manera en que esté fabricado, de la velocidad de carga y de la temperatura durante la prueba. FIGURA N° 3.

  [pic 16]

FIGURA N° 3

• MATERIALES DUCTILES Y FRAGILES: Los materiales metálicos usados en la Ingeniería se clasifican generalmente en dúctiles y frágiles. Un material dúctil es el que tiene un alargamiento a tensión (tracción) relativamente grande hasta llegar al punto de rotura (por ejemplo, el acero estructural o el aluminio), mientras que un material frágil tiene una deformación relativamente pequeña hasta el mismo punto. Frecuentemente se toma como línea divisoria entre las dos clases de materiales un alargamiento arbitrario de 0.05 cm /cm. La fundición y el hormigón son ejemplos de materiales frágiles.

• LEY DE HOOKE. Para un material cuya curva esfuerzo-deformación es similar a la de la figura N° 3 resulta evidente que la relación entre esfuerzo y deformación es lineal para los valores relativamente bajos de la deformación. Esta relación lineal entre el alargamiento y la fuerza axial que lo produce (pues cada una de estas cantidades difiere solo en una constante de la deformación y el esfuerzo, respectivamente) fue observada por primera vez por sir Robert Hooke en 1678 y lleva el nombre de ley de Hooke. Por tanto, para describir esta zona inicial del comportamiento del material, podemos escribir

[pic 17]

            donde E representa la pendiente de la parte recta de la curva esfuerzo - deformación de la    f           figura N° 3.

• MODULO DE ELASTICIDAD (E): La cantidad E, es decir, la relación entre la deformación unitaria a la deformación unitaria se suele llamar módulo de elasticidad del material en tensión o, a veces, módulo de Young. En los manuales aparecen tabulados los valores de E para diversos materiales usados en la ingeniería. Como la deformación unitaria es  es un número adimensional, es evidente que E tiene las mismas unidades que el esfuerzo (por ejemplo MPa, kpsi, etc.). Para muchos de los materiales usados en ingeniería el módulo de elasticidad en compresión es casi igual al encontrado en tensión (tracción).[pic 18]

                  [pic 19]

FIGURA N° 4

• LIMITE DE PROPORCIONALIDAD. A la ordenada del punto A (Figura N° 4) se le conoce por límite de proporcionalidad, esto es, el máximo esfuerzo que se puede producir durante un ensayo de tensión simple de modo que el esfuerzo sea función lineal de la deformación.

• LIMITE  ELÁSTICO. La ordenada de un punto que casi coincide con A se conoce por límite elástico, esto es, el esfuerzo máximo que puede producirse durante un ensayo de tensión simple de modo que no haya deformación permanente o residual cuando se suprime totalmente la carga. Para muchos materiales son casi idénticos los valore numéricos del límite elástico y del límite de proporcionalidad, por lo que a veces se consideran sinónimos. En los casos en que es notoria la diferencia, el límite elástico es casi siempre mayor que el de proporcionalidad.

• ZONA ELÁSTICA. La región de la curva esfuerzo – deformación que va desde el origen hasta el límite de proporcionalidad.

• ZONA PLÁSTICA. La región de la curva esfuerzo deformación que va desde el límite de proporcionalidad hasta el punto de rotura.

• LIMITE ELASTICO APARENTE O DE FLUENCIA. A la ordenada del punto B (ver figura   N° 4) en el que se produce un aumento de deformación sin aumento de esfuerzo se le conoce por límite elástico aparente o límite de fluencia del material. Cuando la carga ha aumentado hasta el punto B, se dice que se produce fluencia. Algunos materiales presentan en la curva esfuerzo – deformación dos puntos en los que hay aumento de deformación sin que aumente el esfuerzo. Se les conoce por límites de fluencia superior e inferior.

• RESISTENCIA A TENSION (TRACCION). La ordenada del punto D, máxima de la curva, se llama resistencia a tracción o, a veces, resistencia última del material.

• RESISTENCIA DE ROTURA. La ordenada del punto E se llama resistencia de rotura del material.

• MÓDULO DE RESILIENCIA (. El trabajo realizado en un volumen unidad de material, cuando se aumenta una fuerza de tensión simple gradualmente desde cero hasta un valor tal que se alcance el límite de proporcionalidad del material, se conoce como módulo de resiliencia. Puede calcularse por el área bajo la curva de esfuerzo -  deformación desde el origen hasta el límite de proporcionalidad (es decir, el área bajo la curva de la región elástica). La resiliencia de un material representa físicamente la capacidad de absorber energía sin ningún daño permanente en el material. Las unidades en que se mide son     MJ / m3. (FIGURA N° 5a). Se calcula mediante:[pic 20]

[pic 21]

• MODULO DE TENACIDAD (. El trabajo realizado en un volumen unidad de material, cuando se aumenta una fuerza de tensión simple gradualmente desde cero hasta el valor que produce la rotura, se define como módulo de tenacidad. Puede calcularse por el área total bajo la curva esfuerzo – deformación desde el origen hasta la rotura. La tenacidad de un material es su capacidad de absorber energía en la zona plástica del material. (FIGURA    N° 5b). Esta cantidad representa el área total dentro del diagrama esfuerzo – deformación y por consiguiente indica la densidad de la energía de deformación unitaria del material precisamente antes de que se rompa. Comparando diversos valores de , podemos determinar la tenacidad de un material particular. Los materiales con un módulo de tenacidad elevado se distorsionarán mucho debido a una sobrecarga; sin embargo, pueden ser preferibles a aquellos con un valor bajo, puesto que los materiales que tienen un  bajo pueden fracturarse de manera repentina sin indicio alguno de una falla próxima. [pic 22][pic 23][pic 24]

[pic 25]

1. Módulo de resiliencia                                         (b) Módulo de tenacidad [pic 28][pic 26][pic 27]

                 FIGURA N° 5

• ESTRICCION: La relación entre la disminución del área de la sección transversal respecto a la primitiva en la fractura, dividida por el área primitiva y multiplicada por 100, se llama estricción. Hay que observar que cuando actúan fuerzas de tensión en una barra, disminuye el área de la sección transversal, pero generalmente se hacen los cálculos de los esfuerzos en función del área primitiva. Cuando las deformaciones se hacen cada vez mayores, es más interesante considerar los valores instantáneos del área de la sección transversal (que son decrecientes), con lo cual se obtiene la curva esfuerzo – deformación verdadera, que tiene el aspecto de la línea de trazos de la figura N° 4. La estricción  mide la cantidad de reducción de sección transversal inicial con respecto al área mínima una vez terminada la prueba. Se mide en porcentaje de estricción y a mayor % más ductilidad tiene un material.
• IMPORTANTE: Una manera de especificar la ductilidad de un material es reportar su porcentaje de elongación o el porcentaje de reducción del área (estricción) en el momento de la fractura. (a) El porcentaje de elongación es la deformación unitaria del especímen en la fractura expresada en porcentaje. Así pues, si la longitud inicial  entre las marcas calibradas de una probeta es Lo y su longitud durante la ruptura es , entonces:[pic 29]

Porcentaje de elongación =  (100%) [pic 30][pic 31]

1. El porcentaje de reducción del área es otra manera de especificar la ductilidad está definida dentro de la región de formación del cuello (ver Figura N° 6) como sigue:

     Porcentaje de reducción del área =  (100%)       [pic 32][pic 33]

                  Aquí  es el área de la sección transversal original y  es el área en la fractura.[pic 34][pic 35]

                NOTA: Los materiales frágiles muestran poca o ninguna fluencia antes de su rotura.

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