Bat1 tema6 propietats

5,021 views

Published on

Published in: Education
0 Comments
3 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
5,021
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
3,075
Actions
Shares
0
Downloads
50
Comments
0
Likes
3
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Bat1 tema6 propietats

  1. 1. PROPIETATS I ASSAIGS DE MATERIALS 2n Batxillerat INS Frederic Mompou Curs 2012-2013
  2. 2. Els materials i els processos industrials• L’energia i els materials són els dos elements imprescindibles per tot procés industrial.• En tot procés tecnològic, una de les primeres coses que s’han de fer és un projecte. S’ha de tenir uns criteris de selecció del material. Aquests criteris són els següents: • Propietats del material. • Qualitats estètiques, que serien el color, la textura, la forma, etc. • Procés de fabricació a seguir i maquinària adequada. • Cost. • Disponibilitat, la vida prevista al mercat. • Impacte ambiental, de l’extracció i transformació de les matèries primeres. Mirar si la seva extracció de les matèries primeres són agressives al medi ambient.
  3. 3. Propietats mecàniques• Tractarem materials que es troben en estat sòlid a temperatura ambient• Les propietats mecàniques descriuen el comportament dels materials davant l’aplicació de forces externes.• Cada material té un comportament diferent i particular quan li són aplicades forces externes. Per tant, hem de conèixer les propietats mecàniques dels materials per tal de poder triar el més adequat a cada aplicació.• Per conèixer i mesurar les seves propietats mecàniques, els materials se sotmeten a unes proves de laboratori anomenades assaigs.
  4. 4. Propietats mecàniques: resistència mecànica i assaig de tracció• Les deformacions dels cossos, i per tant dels elements estructurals, poden ser molt diverses.• En general una deformació és una modificació de la forma i això representa una modificació de lestructura molecular dels materials o elements constructius.• Per tal de poder estudiar una mica en profunditat aquestes deformacions introduirem el concepte desforç• Definirem com a esforç aquell tipus dacció (conjunt de forces i moments aplicats en un cos) que provoca un determinat tipus de deformació.
  5. 5. Propietats mecàniques: resistència mecànica i assaig de tracció• La resistència mecànica és la capacitat de suportar esforços sense deformar-se o trencar-se.• Segons la manera d’aplicar-los sobre el material es distingeixen diferents tipus d’esforços: • De tracció: quan intenten estirar • De compressió: quan intenten aixafar • De flexió: quan intenten doblegar • De torsió: quan intenten retorçar • De cisalla: quan intenten tallar
  6. 6. Propietats mecàniques: resistència mecànica i assaig de tracció • De tracció: quan intenten estirar • De compressió: quan intenten aixafar • De flexió: quan intenten doblegar • De torsió: quan intenten retorçar • De cisalla: quan intenten tallar
  7. 7. Tipus d’esforços:
  8. 8. Els esforços de flexió es poden considerar, en general,com la combinació d’una tracció i d’una compressió. La intensitat d’aquests esforços no és homogènia: augmenta a les zones més allunyades, i disminueix a les més properes.
  9. 9. De vegades, segons la forma delmaterial, un esforç de compressiópot produir un corbament en llocd’un aixafament. Aquest fenomenrep el nom de vinclament, i esdóna en materials esvelts (moltllargs en comparació amb la sevasecció transversal)
  10. 10. Esforç Formes més adequadesaplicat de suportar-loTracció Secció elevadaCompressió Secció elevada i poca longitudFlexió Secció elevada, cantell gran, poca longitudTorsió Secció elevadaCisallament Secció elevada Tot i que las dues bigues tenen la mateixa secció, la biga superior suporta millor els esforços de flexió perquè té un cantell més llarg.
  11. 11. Propietats mecàniques:models de deformació i comportament mecànic• Quan un material és deformat per l’aplicació d’un esforç, pot ser que la deformació sigui temporal o permanent.• Si és temporal → el material torna a la seva forma inicial un cop retirat l’esforç → deformació elàstica• Si és permanent → el material manté certa deformació malgrat haver retirat l’esforç → deformació plàstica
  12. 12. Comportament elàstic: Comportament plàstic:
  13. 13. Propietats mecàniques: models de deformació i comportament mecànic• Hi ha materials que es trenquen sense experimentar, pràcticament cap deformació prèvia → comportament fràgil• En canvi, hi ha materials que es deformen ostensiblement abans de trencar-se → comportament dúctil
  14. 14. Propietats mecàniques: assaig de tracció. Esforç i allargament unitari• L’assaig de tracció és una de les proves de laboratori més utilitzades i que més informació proporciona sobre les propietats mecàniques dels materials.• Per tal que els valors obtinguts no depenguin de les dimensions de la peça que estem utilitzant, sinó només del seu material, s’utilitzen els conceptes d’esforç unitari i allargament unitari.
  15. 15. Propietats mecàniques: assaig de tracció. Esforç i allargament unitari Dibuix acotat d’una provetaMàquina per a l’assaig de tracció
  16. 16. Propietats mecàniques: assaig de traccióMàquina per a l’assaig de tracció
  17. 17. Propietats mecàniques: assaig de tracció. Esforç unitariL’esforç unitari (σ) o simplement esforç, és la relació entre laforça F aplicada a un material i la secció A sobre la quals’aplica.També es coneix per tensió –o tensió normal-. F 2 N / mm ( MPa) AF = Força aplicada en N.A = Secció inicial del material en mm2.
  18. 18. Propietats mecàniques: assaig de tracció. Allargament unitariQuan s’aplica un esforç de tracció prou intens a un material, aquest s’allarga iincrementa la seva longitud. L’allargament depèn de la llargària inicial de la peça. Tot i aplicar la mateixa força, tenir la mateixa secció i ser del mateix material, el valor de l’allargament és diferent en cada cas. En canvi, el valor de l’allargament unitari és el mateix en tots els casos.
  19. 19. Propietats mecàniques: assaig de tracció. Allargament unitariL’allargament unitari e és la relació entre l’allargamentΔL produït en el material i la llargària inicial L0 que teniaabans d’aplicar-ne l’esforç de tracció. L ( sense unitats) L0L’allargament unitari es pot expressar també en %: L (%) ·100 L0
  20. 20. Propietats mecàniques: diagrama de traccióEl diagrama de tracció s’utilitza molt per determinar les característiquesmecàniques dels materials → es realitza a partir dels assaigs de tracció.En aquests assaigs es fan servir provetes normalitzades i es sotmeten aesforços de tracció fins a trencar-les.El diagrama de tracció presenta els esforços unitaris a l’eix d’ordenades iels allargaments unitaris a l’eix de les abscisses.
  21. 21. Propietats mecàniques: diagrama de tracció
  22. 22. Propietats mecàniques: diagrama de tracció
  23. 23. Propietats mecàniques: diagrama de traccióHi ha zones i punts importants d’aquest diagrama que cal destacar:Zona elàstica (O-A)En aquesta zona les deformacions produïdes són de tipus elàstic.S’anomena també zona proporcional, ja que hi ha proporcionalitat entreels esforços i les deformacions.Es caracteritza perquè és una línia recta (OA) i en l’extrem superior (elpunt A) se situa el límit de proporcionalitat,σp .En aquesta zona es compleix la llei de Hooke, i el pendent de la rectacorrespon al mòdul elàstic o mòdul de Young, E, del material: p E = Mòdul elàstic o mòdul de Young en MPa. E σp = Esforç unitari en N/mm2 (MPa). ε = Allargament unitari.
  24. 24. Propietats mecàniques: diagrama de traccióZona elàstica (O-A) p Ependent de la recta
  25. 25. Propietats mecàniques: diagrama de traccióZona plàstica (A-E)Límit elàstic (A-B)A partir del punt A comencen les deformacions permanents.Al punt B se situa el límit elàstic, σe → esforç unitari màxim que potsuportar un material sense experimentar cap deformació permanent. A la pràctica aquest valor és molt difícil d’obtenir i s’admet com a vàlid el valor de l’esforç que produeix una deformació permanent del 0,2% de la llargària calibrada.
  26. 26. Propietats mecàniques: diagrama de traccióEls elements de màquines i estructures es dissenyen amb unesdimensions que els permetin treballar per sota del seu límit elàstic,per tal d’evitar deformacions perilloses.L’esforç unitari màxim que s’utilitza en el disseny d’una peça esconeix com la tensió màxima de treball.Aquesta tensió es calcula dividint el límit elàstic per un valoranomenat coeficient de seguretat, n: σe = límit elàstic del material e σt = tensió màxima de treball t n n = coeficient de seguretat, normalment entre 1,2 i 4
  27. 27. Propietats mecàniques: diagrama de tracció
  28. 28. Propietats mecàniques: diagrama de traccióEn el tram que va des del límit elàstic, punt B, i fins el punt C, es produeix elque s’anomena fluència → el material s’allarga sense gairebé incrementarl’esforç (es diu que flueix). En alguns materials, com l’acer, aquest tram ésgairebé pla. En el tram entre els punts C i D, l’enduriment del material, provocat per la deformació, fa que calgui augmentar l’esforç o tensió per continuar deformant el material
  29. 29. Propietats mecàniques: diagrama de traccióEn aquests trams, les deformacions sempre són permanents i com més dúctilsigui un material, més àmplia serà aquesta zona.En canvi, els materials fràgils pràcticament no presenten zona plàstica, ipassen directament de la zona elàstica al trencament.
  30. 30. Propietats mecàniques: diagrama de traccióQuan s’arriba al punt D comença el trencament de la proveta, tot i que esdisminueix l’esforç aplicat → esforç de trencament (σt): esforç màxim quepot suportar un material abans de trencar-se Les deformacions en aquest tram es caracteritzen per la disminució de la secció → estricció
  31. 31. Propietats mecàniques: diagrama de traccióA mesura que s’aprima la proveta, l’esforç necessari per trencar-la disminueix ila corba decreix, fins que en el punt E, la proveta queda dividida en dostrossos.
  32. 32. Propietats mecàniques: diagrama de traccióHi ha un valor important de l’allargament i és el que experimenta just en elmoment de trencar-se.Un cop trencada la proveta, s’uneixen els dos trossos i es mesura la distànciaentre les marques de calibratge. L (%) ·100 L0 El percentatge de l’allargament és un valor que s’utilitza per mesurar la ductilitat dels metalls.
  33. 33. Propietats mecàniques: característiques mecàniques dels materials• Els valors del mòdul elàstic E → indiquen la rigidesa• Els valors del límit elàstic σe → l’elasticitat• L’esforç de trencament σt → la resistència mecànica• El valor de l’allargament ε → la plasticitat del material
  34. 34. Propietats mecàniques: la duresa• La duresa és la resistència o oposició que presenta un material a ser ratllat o penetrat per un altre material.• La duresa és deguda a la força de cohesió existents entre els àtoms del material.
  35. 35. Propietats mecàniques: la duresa• Per comparar i mesurar la duresa s’utilitzen diferents tipus d’assaigs.• La majoria d’aquests assaigs consisteixen a forçar la penetració d’un objecte de material molt dur (el penetrador) sobre el material a assajar (la mostra o la proveta).• Com més penetració s’aconsegueixi, aplicant la mateixa força, més tou serà el material que s’està analitzant.• Un dels mètodes més utilitzats per mesurar la duresa dels metalls és l’assaig Brinell, que està regulat per la norma UNE-EN ISO 6506-1
  36. 36. Propietats mecàniques: la duresa Assaigs de duresaPenetració Dinàmics Brinell ShoreRockwell IRC Vickers Ratllat Mohs Willborn
  37. 37. Propietats mecàniques: la duresaA l’assaig de duresa de Brinell els penetradors tenen forma esfèrica. Siapliquem una força F sobre el penetrador, aquest deixarà una marca circularde diàmetre d sobre la superfície del material. La duresa Brinell (HB) esdetermina amb la següent expressió:HB = 1,102 F / A, F força aplicada, A superfície de la marca deixada 2F HB 0.102 2 2 D( D D d ) on D és el diàmetre de l’esfera penetradora. En aquesta expressió, F va en N, D i d en mm. S’ha de deixar actuar la força durant un temps entre 10 i 15 s.
  38. 38. Propietats mecàniques: la duresaAparell per mesurarel diámetre de lamarca deixada Amb aquest mètode tenim:  Limitacions en el gruix  Limitacions en la mida  Limitacions en la duresa: fins 600HBLa duresa s’indica:XX HB (D,C,T)XX Duresa Brinell, D diàmetre bola (mm); C=0,102·F; T Temps (s)
  39. 39. Propietats mecàniques: la duresaEl valor de F no és arbitrari, sinó que s’ha d’ajustar segons un coeficientde pressió (CP) propi de cada tipus de material (segons la seva duresa): 2 CP D F 0.102El coeficient de pressió CP ve especificat a la taula següent:
  40. 40. Propietats mecàniques: la duresa. Mètodes d’assaig
  41. 41. Propietats mecàniques: la duresa
  42. 42. Propietats mecàniques: la tenacitat• Al parlar de resistència hem parlat d’esforç, i s’entén un esforç com una força que s’aplica de forma progressiva. Quan una força s’aplica instantàniament no parlem d’esforç, si no de xoc.• La tenacitat és la resistència al xoc.• La tenacitat és contrària a la fragilitat, és a dir, un material fràgil es trenca quan és sotmès a un xoc, i un material tenaç no es trenca. Els materials tenaços són capaços d’absorbir molta energia cinètica en un xoc i transformar-la en deformació – plàstica o elàstica- evitant-ne el trencament.
  43. 43. Propietats mecàniques: la tenacitat. Assaigs de resiliència• La resiliència és l’energia necessària per trencar un material amb un sol cop.• L’assaig de resiliència es denomina també assaig de resistència al xoc.
  44. 44. Propietats mecàniques: la tenacitat. Assaigs de resiliència• La resiliència és una mesura indirecta de la tenacitat.• ↑ resiliència → ↑ tenaç• Però la resiliència sola no és suficient per valorar la tenacitat• Hi ha dues modalitats per assajar la resiliència: el pèndol de Charpy i el d’Izod
  45. 45. Propietats mecàniques: la tenacitat. Assaigs de resiliència• L’assaig Charpy es realitza amb una màquina que incorpora un pèndol amb una massa de 22 Kg situada al seu extrem.• A la vertical del punt de gir del pèndol hi ha l’enclusa on es fixa la proveta. En el moment de realitzar l’assaig, es deixa caure el pèndol des de la posició inicial a una alçaria fixa h.• Un cop impactada la proveta, aquesta es trenca i el pèndol continua el seu recorregut.• L’alçaria final h´ assolida pel pèndol a la posició final serà inferior a la inicial a causa de l’energia consumida en el trencament de la proveta.• La diferencia d’alçàries ( h-h’ ) es directament proporcional a la resiliència.
  46. 46. Propietats mecàniques: la tenacitat
  47. 47. Propietats mecàniques: la tenacitat. Assaigs de resiliència
  48. 48. Propietats mecàniques: la tenacitat. Assaigs de resiliència Les provetes porten mecanitzada una entalla, que te formade “V”, que permet que el trencament es produeixi en el puntdesitjat. La forma i les dimensions de les provetes estannormalitzades. Els valors de resiliència es donen en funció de la secció delmaterial en el punt de trencament.
  49. 49. Propietats mecàniques: la tenacitatEl valor de la resiliència dun material sobté amb la següentexpressió: Ec K AK = Valor de la resiliència del material en J/mm2Ec = Energia cinètica consumida en el trencament de la proveta en JA = Secció de trencament de la proveta en mm2.Recordem:Ec = ΔEp = mgh - mgh’ = mg·(h-h’)
  50. 50. Propietats mecàniques: assaig de fatiga• Mitjançant l’assaig de tracció i de duresa es pot observar el comportament dels materials quan són sotmesos a esforços constants, estàtics.• A l’assaig de resiliència, en canvi, el material es sotmet a un esforç instantani i dinàmic.• Els materials, a les seves aplicacions reals, estan sotmesos a esforços estàtics i dinàmics combinats.• Una peça es pot trencar amb un esforç inferior al seu límit elàstic però que ha estat aplicat repetidament i de manera fluctuant o alternativa.
  51. 51. Propietats mecàniques: assaig de fatiga• Els esforços que alternen el seu sentit d’aplicació (tracció-compressió, torsió, flexió) de manera repetitiva o cíclica en el temps, s’anomenen esforços de fatiga.• L’assaig de fatiga intenta reproduir les condicions de treball reals dels materials.• Un dels més usuals consisteix a sotmetre la proveta a esforços de flexió rotativa (combinació de flexió i torsió) seguint un cicle que es va repetint en el temps.
  52. 52. Propietats mecàniques: assaig de fatiga
  53. 53. Propietats mecàniques: assaig de fatiga
  54. 54. Propietats mecàniques: assaig de fatiga Resistència a la fatiga: és el valor de Vida a la fatiga: és el nombre de cicles l’amplitud de l’esforç que provoca el de treball que pot suportar un material trencament del material després d’un per a una determinada amplitud de nombre determinat de cicles l’esforç aplicatDiagrama de Wöhler o corba S-N
  55. 55. Propietats mecàniques: assaigs no destructius o de defectes• A vegades cal fer assaigs sobre peces ja fabricades, per fer un control de qualitat o per analitzar les causes dels seu trencament.• Els assajos no destructius (també anomenats de defectes) són aquells assajos que no deixen marques sobre els materials assetjats i s’apliquen sobre peces elaborades per determinar la presència (o absència) de defectes interns no observables a primera vista –fissures, esquerdes, porus, inclusions...)• Aquests assajos permeten analitzar les propietats de peces acabades sense fer-les malbé.• Els assajos no destructius mes importants són dos: Els assajos magnètics Els assajos per raigs X i raigs Gamma Els assajos per ultrasons
  56. 56. Assaigs no destructius o de defectes: assaigs magnètics Consisteixen en l’aplicació d’un camp magnètic a la peça que esvol assajar. Si la peça no té defectes, l’estructura interna seràhomogènia (uniforme) i per tant, la permeabilitat magnètica(capacitat de concentrar o dispersar les línies de força) seràconstant en tota la seva extensió. En canvi si la peça té algun defecte la seva estructura no seràhomogènia i els raigs magnètics patiran una desviació allà on hi hagiel defecte. Aquest assaig té un inconvenient: només es pot aplicar en elsmaterials ferromagnètics (metalls fèrrics: acers i foses) que tenenuna permeabilitat magnètica elevada.
  57. 57. Assaigs no destructius o de defectes: assaigs magnètics
  58. 58. Assaigs no destructius o de defectes: assaigs per raigs X i raigs gammaEn materials no ferromgnètics o peces gruixudes.Tant en els assajos per raigs X com els assajos per raigs gamma elprocediment es el mateix: S’agafa el material a assajar i se li aplica els raigs X o gamma, quesón uns raigs radiactius que travessen el material que es vol assajari queden impressionats a unes plaques fotogràfiques. Cada substància té un índex d’absorció de la radiació diferent. Si el material no té defectes la imatge creada a la placa fotogràficaserà uniforme, en canvi, si el material és defectuós, la imatge que escrea a la placa no serà uniforme: el lloc de la projecció on es vegi lataca diferent a la resta serà el lloc on hi ha la deformitat del material.
  59. 59. Assaigs no destructius o de defectes: assaigs per raigs X i raigs gamma La diferècia entre els raigs X i els raigs γ és que els raigs gammasón molt més potents que els raigs X i per tant s’utilitza per aanalitzar materials més gruixuts.
  60. 60. Assaigs no destructius o de defectes: assaigs per ultrasonsLa tècnica dels assaigs per ultrasons és molt similar a l’ecografia.Les ones d’ultrasons (f>20000Hz) es reflecteixen, es refracten i esdispersen davant de canvis en el medi on es propaguen.Aquestes propietats (en especial la reflexió) són aprofitades perdetectar defectes interns a les peces a avaluar.
  61. 61. Propietats tèrmiquesRecordem:• La calor és la transferència (flux) d’energia tèrmica entre dos cossos o dues zones d’un mateix cos.• La temperatura és una de les formes de mesurar l’energia tèrmica d’un cos o d’una substància.• T(K) = T(ºC) + 273,15• ΔT(K) = ΔT(ºC)
  62. 62. Propietats tèrmiques• Les propietats tèrmiques indiquen com es comporta un material davant de la calor.• Hi ha dues propietats tèrmiques amb importants implicacions tecnològiques: la conductivitat tèrmica i la dilatació.
  63. 63. Propietats tèrmiques: conductivitat tèrmica• La conductivitat tèrmica és la velocitat de propagació de la calor entre dos punts del material, normalment és sòlid.• Es defineix també com la facilitat que ofereix un material per permetre el flux d’energia tèrmica a través seu.• La conductivitat depèn de diversos factors, com el material, la distància(gruix), la secció de l’objecte, la diferència de temperatures inicial i final, i el temps de propagació de la calor. Q = calor, en J. A = secció de l’objecte, superfície de At T contacte entre les masses tèrmiques en m2. Q t = temps, en s. ΔT = increment de temperatura, en ˚C. L L = gruix o distància, en m. λ = conductivitat tèrmica, en W/m˚C.
  64. 64. Propietats tèrmiques: conductivitat tèrmicaExemple problema:Tenim un objecte de 1m de llargada i 2 cm2 de secció, a una temperaturade 20˚C. Apliquem a un dels seus extrems una quantitat de calor de 20J.Quina serà la temperatura de l’altre extrem un cop han transcorregut 3s?La conductivitat tèrmica de l’alumini és de 231W/m˚C.Dades: At T QL 1m L 1m 2 2 QL 20J ·1m 2·10 4 m 2A 2cm · 4 2 10 cm T 144,30 CT0 20 J At 231 W ·2·10 4 m 2 ·3sQ 20 J m 0Ct 3s T T T0 W 231 m 0C T 200 C 144,30 C 164,30 CT?
  65. 65. Propietats tèrmiques: conductivitat tèrmicaEl quocient Q / t s’anomena potència tèrmica (Pt).Així, la potència tèrmica transmesa: A· T Pt (W ) L
  66. 66. Propietats tèrmiques: dilatació tèrmica• La dilatació és el fenomen que provoca l’augment de les dimensions d’un material, especialment els metalls, quan augmenta de temperatura.• La dilatació depèn: • Del material • De l’increment de temperatura• Diferents tipus de dilatacions: • Dilatació lineal → la dilatació és en longitud → α • Dilatació superficial → la dilatació és en superfície → σ • Dilatació cúbica → la dilatació és en volum → γ
  67. 67. Propietats tèrmiques: dilatació tèrmica
  68. 68. Propietats tèrmiques: dilatació tèrmicaEsquema d’una protecció tèrmica amb un parell bimetàl·lic
  69. 69. Propietats tèrmiques: dilatació tèrmica

×