Materiales II-Propiedades de los materiales - Semana 5-Sesión 1

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  • 1. Ing. Jorge Fredy Llano M
  • 2. Propiedades mecánicas de los materiales Ing. Fredy Llano M 2
  • 3. IntroducciónLa industria moderna, en todos sus sectores productivos, estáexigiendo equipos y componentes mecánicos cada vez mássofisticados, de ahí la necesidad de conocer, con razonableprofundidad, los materiales utilizados en su construcción.El empleo de los materiales en la industria se basaprincipalmente en sus propiedades, este es el punto de partidaen los procedimientos de selección de materiales. Ing. Fredy Llano M 3
  • 4. ¿Qué son propiedades, cómo se clasifican? Son aquellas características que determinan la idoneidad de los materiales para un determinado uso. Las propiedades de los materiales pueden ser clasificadas en: Mecánicas Eléctricas Térmicas Magnéticas Ópticas De degradación (corrosión, oxidación, desgaste) Físicas Químicas Tecnológicas Económicas Estéticas Ing. Fredy Llano M 4
  • 5. Esquema del enlace iónicoEsquema del enlace covalente Esquema del enlace metálico Ing. Fredy Llano M 5
  • 6. Propiedades mecánicas de los materialesLas propiedades mecánicas definen el comportamiento de un material cuandose le sujeta a esfuerzos (mecánicos). Corresponden a las propiedades que en undeterminado material, determinan su capacidad de transmitir y resistir losesfuerzos que le son aplicados sin romperse o sin que se verifiquendeformaciones incontrolables Tipos de esfuerzos mecánicos Tensión Ing. Fredy Llano M 6
  • 7. Compresión FlexiónIng. Fredy Llano M 7
  • 8. Cizallamiento Torsión Ing. Fredy Llano M 8
  • 9. Tipos de esfuerzos mecánicos (modo de aplicación- velocidad-)Lenta y gradualmente (naturaleza estática): tracción, flexión,torsión, etc.Rápida (naturaleza dinámica, como un choque o impacto)Cíclicos (la carga varía repetidamente, sea en valor o endirección). Ej. la fatiga.Carga constante (carga aplicada durante un largo periodo). Ej. lafluenciaPara tener una mejor visión del comportamiento de losmateriales cuando se sujetan a algún tipo de esfuerzo , se utilizanlos llamados ensayos mecánicos. Ing. Fredy Llano M 9
  • 10. Ensayos mecánicosSon procedimientos estandarizados con base en normas técnicas.Realizar un ensayo es someter un objeto ya fabricado o un material que va aser procesado industrialmente a situaciones que simulan los esfuerzos queellos van a soportar en las condiciones reales de uso, llegando a límitesextremos de solicitación. ASTM - American Society for Testing and Materials DIN - Deutsches Institut für Normung AFNOR - Association Française de Normalisation BSI - British Standards Institution ASME - American Society of Mechanical Engineer ISO - International Organization for Standardization JIS - Japanese Industrial Standards SAE - Society of Automotive Engineers COPANT – Comisión Panamericana de Normas Técnicas ICONTEC: Instituto Colombiano de Normas Técnicas ABNT – Asociación Brasilera de Normas Técnicas Ing. Fredy Llano M 10
  • 11. ¿Dónde se realizan los ensayos?Los ensayos pueden ser realizados en los talleres o en ambientes especialmenteequipados para esa finalidad: los laboratorios de ensayos Pruebas de taller Laboratorio de ensayos
  • 12. Ensayos mecánicosLos ensayos mecánicos pueden clasificarse como destructivos y nodestructivos.Los ensayaos destructivos son aquellos que dejan alguna señal en la pieza ocuerpo de prueba, la pieza o cuerpo queda inutilizado parcial o totalmente.Ensayo de tracción;Ensayo de flexión;Ensayo de impacto;Ensayo de dureza;Ensayo de fatiga;Ensayo de fluencia (“creep”). Ing. Fredy Llano M 12
  • 13. Ensayos mecánicosLos ensayos no destructivos son aquellos que después de su realización nodejan señales o marcas, por consiguiente las piezas no quedan inutilizadas, sonusados para detectar fallas en productos acabados o semiacabados (nocomprometen la integridad de la pieza).VisualesLíquido penetrantesPartículas magnéticasUltra-sonidoRadiografía industrialTomografíaMicrodureza Ing. Fredy Llano M 13
  • 14. Ensayo Condiciones del Magnitudes Propiedades ensayo medidas determinadasTracción Temp. cte, Vel. De deformación Esfuerzo, Módulo de elasticidad, limite de ≈ Cte. Puede ser realizado en alargamiento, fluencia, límite de resistencia, varias temperaturas. estricción. tensión de rotura, alargamiento total y uniforme, límite elástico.Flexión Temp. cte o Puede ser realizado Fuerza y deflexión Módulo de rotura a flexión en varias temperaturas. Dureza Temp. cte, generalmente la Fuerza y área, (o Dureza de acuerdo a la ambiente. penetración) de la escala, HRC, HB, HV, etc indentaciónFluencia La fuerza o tensión es aplicada Alargamiento y Resistencia a la fluencia y cte. Temperatura Cte y alta. Tiempo tiempo de fluencia.(Creep) Carga Cte. Puede ser realizado en varias temperaturas.Impacto Puede ser realizado en Energía Resistencia al impacto y diferentes temperaturas. Alta absorbida por el temperatura de velocidad de aplicación de carga. material. transición dúctil – frágil. Fatiga Esfuerzos alternados Número de ciclos o Resistencia a la fatiga y conteniendo tracción. Temp. vida del material. límite de fatiga. Cte o Puede ser realizado en varias temperaturas. Ing. Fredy Llano M 14
  • 15. Conceptos de Tensión y de Deformación  Ensayo de tracción:  Tensión de ingeniería: σ = F/Ao  Deformación de ingeniería: δ = (lf - lo)/ lo = ∆l/ lo a) Representación esquemática de como una carga de tracción produce un alargamiento. b) Deformación por compresión c) Deformación por esfuerzo cortante d) Deformación debida a esfuerzos de torsión Las líneas ocultas representan el cuerpo antes de la deformación. Ing. Fredy Llano M 15
  • 16. La máquina y el cuerpo de prueba del ensayo de tracción La máquina de Ensayo: Ing. Fredy Llano M 16
  • 17. El cuerpo de prueba (probeta)Observación: existen numerosas geometrías de probetas (planas, cilíndricas, etc.) con diversas dimensiones. Probeta de tracción con sección circular Probetas de sección diferente a la circular Ing. Fredy Llano M 17
  • 18. Determinación de propiedades mecánicas a partir de la curva de tracción ingenieríl Ing. Fredy Llano M 18
  • 19. Ensayo de tensión Ing. Fredy Llano M 19
  • 20. Ensayo de Tracción: La Curva de ingeniería y la Curva Real Ing. Fredy Llano M 20
  • 21. Diferentes estados de la fractura durante un ensayo de tracción(a) Cuello inicial. (b) formaciónde pequeñas cavidades. (c)agrupación de cavidades paraformar grietas. (d) propagaciónde grietas. (e) fractura final por. Ing. Fredy Llano M 21
  • 22. Curvas de Tracción de materiales (Frágil, Dúctil y Elastomérico) Comportamiento de una curva esfuerzo – deformación para materiales: frágiles (curva A), plástica (curva B, y altamente elásticos (elastómeros) (curva c), polímeros Ing. Fredy Llano M 22
  • 23. El Ensayo de Flexión Esquema del ensayo de flexión en tres puntos para medir el comportamiento esfuerzo-deformación y la resistencia a la flexión de materiales. Ing. Fredy Llano M 23
  • 24. Ensayo de flexión Ing. Fredy Llano M 24
  • 25. Datos de resistencia a la flexión (módulo de ruptura) y módulo de elasticidad para 10 materiales cerámicos comunes Ing. Fredy Llano M 25
  • 26. El Ensayo de Impactoa) Probetas usadas para los (a) ensayos de impacto( Izod y Charpy)b) Esquema de una máquina para ensayo de impacto. El martillo es soltado desde una altura h fija y rompe la probeta. La energía gastada o absorbida por el material, es relacionada con la diferencia entre la altura inicial h y final h’ del martillo (b) Ing. Fredy Llano M 26
  • 27. Las Curvas de Transición Dúctil-Frágil Dependencia de la temperatura sobre la energía de impacto de una probeta entallada (curva A) y Porcentaje de la fractura de corte (curva B) para un acero estructural A283. Influencia del porcentaje de carbono sobre la energía de impacto en dependencia de la temperatura de ensayo. Ing. Fredy Llano M 27
  • 28. Ensayo de impacto Ing. Fredy Llano M 28
  • 29. Ensayo de durezaDurezaEs una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica localizada (abolladura o ralladura).En estos ensayos se mide la profundidad o tamaño de la huella resultante, lo cual se relaciona con un numero de dureza; cuanto más blando es el material, mayor y más profunda es la huella, y menor es el número de dureza. Ing. Fredy Llano M 29
  • 30. Los diferentes ensayos de dureza Ing. Fredy Llano M 30
  • 31. Ensayo de dureza Ing. Fredy Llano M 31
  • 32. El Ensayo de fatiga La fatiga es la rotura de componentes, bajo una carga bien inferior a la carga máxima soportada por el material, debido a solicitaciones cíclicas repetidasDiagrama esquemático de una máquina de fatiga para realizar ensayos de flexión rotatorios Ing. Fredy Llano M 32
  • 33. El Ensayo y las Curvas de fatigaAmplitud del esfuerzo (S) contra el logaritmo del número de ciclos hasta la falla por fatiga (N) para:b) Un material que presenta una fatiga límite yc) Un material sin limite de fatiga Ing. Fredy Llano M 33
  • 34. Fluencia y Curvas de fluenciaFluencia (creep): Deformación permanente con el tiempo queocurre bajo esfuerzo. Para muchos materiales, el creep esimportante solo a altas temperaturas Curva típica del Creep de deformación vs tiempo a esfuerzo cte y temperatura elevada cte. La mínima tasa de creep ∆ε/∆t es la pendiente es la pendiente del segmento de recta en la región secundaria. El tiempo de vida hasta la ruptura tr es el tiempo total hasta que la probeta rompe Ing. Fredy Llano M 34
  • 35. Ensayo de fluencia Ing. Fredy Llano M 35
  • 36. Fluencia y Curvas de fluencia Influencia del esfuerzo σ y la temperatura T sobre el comportamiento al creep. Ing. Fredy Llano M 36
  • 37. Bibliografía SMITH, F. WILLIAM. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, Mc GRAW-HILL, 1993. ASKELAND, La ciencia e ingeniería de materiales, IBEROAMERICANA, 1987. SHACKELFORD, James F. Ciencia de materiales para ingenieros, PHH, 1995. AVNER SIDNEY H, Introducción a la metalurgia física, Mc GRAW-HILL, 1988. CALLISTER, William, Ciencia e Ingeniería de los materiales, Vol. I y II. Mc Graw Hill. KEYSER CARL A, Técnicas de laboratorio para pruebas de materiales, LIMUSA. Ing. Fredy Llano M 37