Tema5FundamentosdeMateriales_Prop_mec.pdf

TEMA 5. Propiedades mecánicas y mecanismos
de endurecimiento de metales
- Propiedades. Técnicas y ensayos
- Ensayos mecánicos
- Tracción, compresión, cizalladura y torsión
- Elasticidad y plasticidad
- La curva tensión-deformación. Parámetros mecánicos
- Dureza y ensayos de dureza
- Deformación plástica y dislocaciones
- Mecanismos de endurecimiento (Cap. 9)
- Recuperación y recristalización de metales deformados
- Fractura, fatiga y fluencia en caliente (Cap. 10)
Cap. 8, 9 y 10 Callister2
Cap. 13 y 14 (15-16 un poco)
Montes
Cap. 6 y 7 Smith
1

* Propiedades: mecánicas, térmicas, eléctricas, magnéticas, ópticas y químicas
 Se estudian mediante ensayos. Requieren aplicación de un estímulo
 Es crucial la preparación de la muestra o probeta (procesado, dimensiones,
superficie, ...)
 Todos los ensayos tienen límites de detección (error experimental asociado)
 No hay una técnica ni ensayo mágico que caracterice completamente el
material: complementariedad de técnicas y ensayos de materiales
Propiedades. Ensayos y técnicas de análisis
* Técnicas de análisis: conjunto de procedimientos que permiten averiguar la
composición química y la estructura (a nivel atómico, microscópico y
macroscópico) de los materiales
* Ensayos: procedimiento o protocolo que hay que seguir para determinar las
propiedades de los materiales. Están normalizados para cada tipo de material o
para cada aplicación (normas UNE, EN, ASTM, ...)
2

Ensayos mecánicos
La tensión (s) es la fuerza aplicada por unidad
de superficie para deformar el material
La deformación (e) es la relación entre el
cambio de longitud de la muestra y la longitud
inicial
Las propiedades mecánicas son clave no sólo
para la utilización de materiales, también
determinan su procesado
Unidades:
N/m2 = Pa
Unidades: adimensional. Suele darse como un
porcentaje de deformación (e x100) %
 Deformación elástica: recupera la forma cuando cesa la tensión
 Deformación plástica: permanente (desplazamiento de átomos)
0
0
0
l
l
l
l
li 



e
3

Tracción, compresión, cizalladura y torsión
 La carga mecánica (el estímulo) se puede aplicar a:
0
A
F

s
0
l
l


e
0
A
F


h
a

 
 tan
Tracción Compresión
Par de fuerzas: T
  f
Por convención:
F < 0
e < 0
Cizalladura Torsión
h
a
 Y los ensayos se denominan a tracción, compresión,
cizalladura y torsión, respectivamente
4

- Ensayo a tracción: la carga a tracción se aplica
a lo largo del eje de la probeta. Se aumenta
gradualmente la carga hasta rotura
en la longitud adelgazada (longitud de prueba), que debe ser igual o superior a
cuatro veces el diámetro de la probeta
 La maquina de ensayos permite alargar la probeta a velocidad constante,
midiendo la carga instantánea aplicada y el alargamiento resultante (curvas tensión
- deformación)
 Probeta de sección circular o rectangular,
adelgazada en el centro. La deformación se produce
Ensayos mecánicos
5

- Ensayo a tracción
La tensión nominal o tensión ingenieril (s) es la carga (F) normalizada
por la sección inicial de la probeta (A0). La deformación nominal o
deformación ingenieril (e) es el alargamiento (li –l0) normalizado por la
longitud inicial (l0)
0
A
F

s (N/m2)
0
0
0
l
l
l
l
li 



e
Sin unidades
Se expresa en %
- Ensayo a compresión:
Análogo al de tracción pero aplicando la carga a compresión
(s y e negativas)
Ensayos mecánicos
 La probeta es de sección constante, circular o rectangular,
y de una longitud similar al diámetro
 El ensayo a compresión se utiliza para conocer la
respuesta del material bajo deformaciones permanentes
grandes, o cuando el material es muy frágil a tracción 6

Para esfuerzos pequeños, la tensión y la deformación
son proporcionales: Deformación elástica
E es el módulo de elasticidad o módulo de Young
Curvas tensión - deformación
e
s E
 Ley de Hooke
La curva tensión y deformación
 Deformación elástica: recupera la forma cuando
cesa la tensión
 Deformación plástica: permanente
(desplazamiento de átomos)
Al aumentar la carga, la ley de Hooke deja de ser
válida y se produce una deformación permanente:
Deformación plástica (fluencia : con rotura y
formación de nuevos enlaces entre los átomos)
7

Módulo elástico
e
s E

 El módulo elástico es la pendiente
de la parte lineal inicial de la curva
tensión-deformación
A mayor módulo elástico mayor
rigidez
 Cuando la curva -e no es lineal,
se puede tomar como E el módulo
tangente o el módulo secante
En cizalladura el comportamiento
elástico es:
donde G es el módulo de cizalladura
Ley de Hooke

 G

La curva tensión y deformación
8

A tracción, la deformación elástica se considera
en la dirección de aplicación de la carga (ez),
pero también se produce una disminución en las
direcciones perpendiculares que son
deformaciones a compresión (ex y ey <0)
El coeficiente de Poisson (n) se define como
Coeficiente de Poisson
El coeficiente de Poisson relaciona el módulo elástico y el módulo de cizalladura:
z
y
z
x
e
e
e
e
 

)
1
(
2 

 G
E
Con dos constantes se conocen las propiedades elásticas de los materiales
Tensión y deformación
9
- -

Límite elástico: Valor de tensión a
la cual empieza la def. plástica
Para una respuesta elastoplástica
gradual, se denomina el límite
proporcional al punto (P) donde
comienza a perderse la linealidad, y
el límite elástico es por convención
el punto de corte entre la curva s(e)
y una línea elástica desplazada
0,002 (0,2%) en deformación
Límite elástico
 Para materiales con una región elástica no lineal, el límite elástico se define como
la tensión necesaria para producir una deformación de 0,005 (por convención)
Otros materiales tienen una transición elastoplástica muy abrupta y bien definida.
La tensión disminuye al empezar la fluencia, y se identifica un límite superior y un
límite inferior elástico o de fluencia (figura de la derecha)
10

Resistencia a la tracción (TS): es
la tensión en el máximo de la
curva tensión-deformación (M)
A partir de este nivel de tensión el
área de la sección transversal
disminuye hasta rotura
Midiendo el área de la sección
instantánea, se puede calcular el
porcentaje de estricción
Resistencia a tracción
Rotura
100
%
0
0



A
A
A
AR
f
 La estricción de la sección de la probeta origina componentes de la
tensión distintas de la axial
11

La estricción de la sección hace que la tensión ingenieril sea menor que la
tensión real
Tensión real y deformación real
i
T
A
F

s
0
ln
0 l
l
l
dl i
l
l
T
i

 
e
Si consideramos que el volumen de la probeta se mantiene constante durante el
ensayo entonces l0A0 = liAi y
donde Ai es el área
de la sección
transversal mínima
en cada instante
La deformación real
o corregida será
i
T
A
A0
ln

e 12

Regímenes y parámetros característicos de la curva completa
i) (O-A) Régimen elástico lineal: s= E e
ii) (A-B) Régimen elástico no lineal
iii) (B-C) Régimen plástico:
deformación permanente
iv) (C-D) Fluencia: deformación sin
tensión
v) (D-E) Endurecimiento
vi) (E-F) Fractura
Parámetros mecánicos:
Módulo elástico (E), módulo de cizalladura (G), coef. de Poisson (n)
Límite elástico (sY, s en B), Límite proporcional (sP, s en A)
Resistencia a la tracción (TS, s en E) 13

Ductilidad: da idea del grado de deformación plástica que soporta el material hasta
la fractura
 Un material poco dúctil se denomina frágil
Otros parámetros mecánicos
• La ductilidad se expresa mediante el
alargamiento relativo porcentual o mediante
el porcentaje de estricción a fractura:
100
%
0
0








 

l
l
l
EL f
100
%
0
0








 

A
A
A
AR f
lf y Af longitud y área en el momento de la fractura
14

Resiliencia: capacidad de un material de absorber energía elástica cuando es
deformado y cederla cuando cesa el esfuerzo
El módulo de resiliencia Ur es la energía de deformación por unidad de volumen
que se requiere para deformar un material hasta el límite elástico
Es el área debajo de la curva s-e hasta el límite de fluencia
e
s
e
d
U
y
r 

0
Los materiales resilientes son los que tienen un límite
elástico muy alto y un módulo de elásticidad muy bajo.
Son los mejores materiales para muelles
Para deformación elástica
y
y
r
U e
s
2
1

(J/m3)
15

Tenacidad: capacidad de un material de absorber energía antes de la fractura
e
s
e
d
K
r
c 

0
Un material tenaz debe tener alta resistencia y
alta ductilidad. Los materiales dúctiles suelen
ser más tenaces que los frágiles
Unidades: energía por unidad de volumen (J/m3)
La tenacidad se puede evaluar a partir de ensayos de impacto y en probetas
con entalla
En un ensayo de tracción, la tenacidad es el área debajo de la curva s-e
hasta la rotura
er er
sr
sr
16

Ejemplos
de metales
reales
17

Dureza y ensayos de dureza
- Ensayos de dureza:
La dureza es la resistencia de un material a la deformación plástica localizada
Los ensayos de dureza se
basan en medir la huella
que dejan distintos tipos de
penetradores forzados
sobre el material en
condiciones controladas de
carga y velocidad de
aplicación de la carga
Se calcula un número de
dureza con mediciones
sobre la huella, y el
material se clasifica según
la escala de dureza
18

Ensayos de
dureza y
escalas de
dureza:
19

Dureza
Ensayos de dureza
Equivalencia de escalas de dureza:
- Dureza Rockwell (bolas esféricas de
acero endurecido, materiales más
duros con cono de diamante)
- Dureza Brinell (penetrador esférico
de acero endurecido o carburo de
tungsteno)
- Microdureza Vickers y Knoop
(geometría piramidal muy pequeña y
con cargas aplicadas muy pequeñas)
- Dureza Mohs (fue la primera escala
de dureza, está basada en rayar con
minerales) 20

Deformación plástica y dislocaciones
Monocristales metálicos
La deformación plástica se produce por rotura y
formación de nuevos enlaces atómicos
 Los planos de
deslizamiento son
los de mayor
compactación y
mayor distancia
interplanar (se
requiere menor
tensión de cizalla)
Las direcciones de
deslizamiento son
las más compactas
21

Monocristales metálicos La deformación depende de la estructura
22

Mecanismos de deformación
Mecanismos de deformación
 La deformación plástica se produce finalmente por desplazamiento de
dislocaciones
 La energía necesaria (tensión requerida) es relativamente pequeña porque sólo se
rompen y vuelven a formar un pequeño número de enlaces
 La densidad de dislocaciones de un metal es muy alta, típicamente de 1012
cm/cm3.
Propagación en alfombra de una dislocación lineal hasta producir deformación plástica
23

Ley de Schmid
 Si sr > sc, donde sc es el
esfuerzo cortante crítico
(depende de cada material), la
dislocación se desplazará
causando la deformación del
material
Tensión de cizalladura:
f
cos
0
1
A
A 
f

s
f

 cos
cos
cos
cos
a
cizalladur
de
Área
a
cizalladur
de
Fuerza
0
1




A
F
A
Fr
r
24

Endurecimiento de metales
 La deformación plástica es la consecuencia del desplazamiento de
dislocaciones:
- En los metales (enlace metálico) hay muchas dislocaciones y éstas
pueden moverse fácilmente, de forma que los metales son materiales dúctiles
- Los cerámicos (con enlaces iónicos y covalentes más fuertes y
direccionales y repulsión electrostática en las dislocaciones) no tienen apenas
ductilidad debido a la mayor dificultad de generación y movimiento de
dislocaciones. Son materiales frágiles
El endurecimiento de metales se basa en crear impedimentos al
deslizamiento de dislocaciones, con lo que el metal se vuelve
más resistente y más frágil (menos dúctil) 25

Mecanismos de endurecimiento
Materiales policristalinos: límites de grano
Ecuación de Hall-Petch: 2
/
1
0
d
k
y 
s
s
 Endurecimiento por disminución del tamaño de grano
26

Endurecimiento por trabajo en frío
Chapa de cobre puro laminada en frío
un 30% y un 50% (derecha)
• Mediante laminación o trefilado se modifica la forma y
tamaño de grano incrementándose además el número
de dislocaciones, que se concentran en los límites de
grano y se mueven con más dificultad
Porcentaje de trabajo en frío:
100
%
0
0








 

A
A
A
CW d
Ad
A0
27

 La adición de una impureza crea
estados de tensión alrededor del
átomo de disolvente que dificultan el
desplazamiento de las dislocaciones
Factores importantes:
-Tamaño relativo de los átomos:
magnitud de la distorsión de la red
cristalina, que dificulta el movimiento
de las dislocaciones
- Orden a corto alcance: se genera
un microcristal alrededor de la
impureza que también dificulta el
movimiento de dislocaciones
Endurecimiento por disolución sólida
28

Recuperación y recristalización
El metal se endurece por trabajo en frío,
pero queda muy tensionado, de forma que
para algunas aplicaciones interesa que se
relaje la estructura y recupere ductilidad.
Esto se consigue mediante un tratamiento
térmico de recocido total
El recocido total consiste en
mantener el material durante cierto
tiempo a una temperatura por debajo
de la de ablandamiento pero
suficientemente alta para facilitar la
difusión
• Se distinguen tres etapas:
Recuperación, Recristalización y
Crecimiento
Tratamientos térmicos: Recocido
29

Recuperación: a temperatura justo por
debajo de la de recristalización se relajan
tensiones por movimiento de dislocaciones,
que se reordenan dando lugar a muchos
límites de grano de ángulo pequeño
(poligonización)
Recristalización: incrementado un poco la temperatura
nuclean nuevos granos por difusión atómica a corto alcance
 La temperatura de recristalización (TRe) es la temperatura a
la cual la recristalización ocurre en 1 hora de recocido.
Generalmente, para metales puros TRe ~ 0,3 Tm (temperatura
de fusión). Para aleaciones se incrementa incluso hasta 0,7 Tm
 TRe depende del tamaño inicial del grano, del grado de
deformación, de la pureza del metal y del tiempo
T Re (ºC)
Al: 80
Latón: 475
Fe: 450
W: 1200
30

Recristalización:
- Se necesita un grado de deformación
mínimo para que se produzca la
recristalización y a menor grado de
deformación mayor TRe
- A mayor pureza menor TRe
- Aumentando TRe disminuye el tiempo para
completar la recristalización. Normalmente, el
tiempo y la temperatura siguen una relación tipo
Arrhenius
RT
Q
Ce
t /


C =cte, Q= energía de activación del proceso
31

 El tamaño final (d) depende del tamaño inicial (d0), el tiempo y la temperatura.
Para muchos materiales se cumple la relación con el tiempo:
donde n toma un valor en torno a 2.
Crecimiento: Los límite de grano se mueven
aumentando el tamaño de grano. Unos granos
crecen a expensas de otros
n~2
Kt
d
d n
n

 0
32

 En la fractura dúctil se produce mucha deformación plástica en torno al avance
de la grieta. De este modo se absorbe energía y la grieta se propaga más
lentamente  “grietas estables”
 En la fractura frágil el material no absorbe energía por deformación plástica y la
grieta se propaga muy rápidamente  “grietas inestables”
Fractura: Separación del sólido en dos o más piezas por la acción de una fuerza.
En metales aparece la fractura dúctil y la frágil.
En cualquier proceso de fractura se distinguen dos etapas:
1) Formación de la grieta (defecto)
2) Propagación de la grieta
Fractura, fatiga y fluencia en caliente
En ingeniería, la fractura dúctil es siempre preferible a la fractura frágil, ya
que en el segundo caso el fallo es siempre catastrófico. La rotura dúctil
puede detectarse por la deformación, y además el avance de la grieta se
produce más lentamente
33

Fractura dúctil: por exceso de carga
aplicado en materiales dúctiles
Etapas de formación de fractura dúctil
Suelen ser en
copa y cono
La superficie de
fractura muestra
microcavidades
cónicas
equiaxiales
Fractura simple: dúctil y frágil
34

Fractura frágil: en materiales frágiles. Superficies
de fractura coincidentes, con poca o nula
deformación plástica (la fractura avanza a lo largo
de planos cristalográficos). Falla catastrófica
- Fractura transgranular: parte los granos
- Fractura intergranular: por las interfases
Etapas: la deformación plástica concentra las dislocaciones
en los obstáculos, el esfuerzo cortante se acumula en esos
lugares y comienzan las microfisuras, el esfuerzo continúa
propagando las microfisuras hasta que la fisura alcanza a
toda la pieza (rotura o fractura)
 Suele producirse por la presencia de
en un defecto en el material
(acumulación de tensión en defectos)
 Marcas en V 35

Izod
Charpy
Tenacidad: Cantidad de energía que el
material puede absorber antes de
fracturarse. También se denomina
tenacidad a la capacidad de un material
que tiene un defecto (fisura o grieta) para
resistir una carga aplicada
Ensayo de impacto: determina la
tenacidad a la entalla o energía de impacto
 El de Charpy es el más usado
 Probeta de sección cuadrada con entalla
en forma de V
 Se deja caer un péndulo desde una
altura h y se mide la altura máxima tras el
choque h’
W = m g (h-h’) (J) 36

Factores que afectan a la tenacidad:
• La capacidad de deformación del material: a mayor ductilidad mayor tenacidad
• Velocidad de aplicación del esfuerzo: a mayor rapidez menor tenacidad
• La temperatura: al aumentar la temperatura aumenta la tenacidad
• Microestructura: los granos pequeños de tamaño homogéneo mejoran la
tenacidad
• Defectos puntuales y dislocaciones: la tenacidad disminuye con este tipo de
defectos
• Tamaño de los defectos: defectos de gran tamaño reducen la máxima tensión
admisible (menor tenacidad)
37

Tenacidad de los
grandes grupos
de materiales:
38

Mecánica de fractura: Resistencia a la fractura
Se produce una microgrieta abierta a la superficie. En el vértice se acumulan los
esfuerzos con una intensidad (KI) que depende del esfuerzo aplicado (s) y la
semilongitud de la fisura (a)
Resistencia a la fractura: es el valor crítico del factor intensidad de tensión (KIC).
sf = tensión de fractura
a
Y
KI 
s
 Y = cte geométrica adimensional del orden de 1
a
Y
K f
IC 
s
 39

Fatiga: rotura del material bajo una carga cíclica (tracción y a compresión). Este
tipo de esfuerzos periódicos hacen que la fractura del material ocurra a tensiones
menores que la resistencia a la tracción bajo carga estática
Etapas de la rotura a fatiga:
i) formación de una fisura en la superficie del metal por concentración de
esfuerzo
Superficie de fractura con una región lisa, de
aspecto brillante en el inicio de la fisura,
rodeada de región ondulada que se propaga
hasta el final dela fractura
ii) propagación de la fisura perpendicular a la
dirección de aplicación del esfuerzo
iii) rotura catastrófica cuando la sección restante
(no agrietada) es insuficiente para soportar
el esfuerzo aplicado
40

Ensayos de Fatiga: se aplica una carga cíclica caracterizada por un nivel medio de
tensión o amplitud de la tensión
2
mín
máx
m
s
s
s


•Valor medio de la tensión
•Amplitud de la tensión
2
2
mín
máx
r
a
s
s
s
s



• El ciclo de carga más simple es de tracción-compresión uniaxial. Se comienza
aplicando una amplitud máxima alrededor de 2/3 la resistencia a tracción estática y
se registra el número de ciclos hasta rotura (N). Se repite el ensayo para
amplitudes menores (sa) hasta obtener una curva tensión (S, normalmente es sa)
frente a número de ciclos hasta rotura (N)  Curva S-N o curva de fatiga
41

Curvas S-N típicas en metales
1) Existe una tensión límite por debajo de la cual no ocurre rotura a fatiga 
Límite de fatiga
42

- Resistencia a fatiga:
nivel de tensión que
produce rotura después
de un determinado
número de ciclos (107
ciclos)
- Vida a fatiga (Nf)
número de ciclos
necesario para producir
rotura para un nivel de
tensión
 Resultados muy variables  muchos ensayos, probabilidad de rotura
Curvas S-N típicas en metales
2) No existe límite de fatiga
43

Fluencia: deformación plástica que tiene lugar a temperatura elevada bajo una carga
constante y durante un periodo largo de tiempo.
Etapas: Inicialmente ocurre una
deformación elástica instantánea (e0 )
i) Fluencia primaria: la velocidad de
fluencia (de/dt) disminuye con el tiempo
ii) Fluencia secundaria: de/dt = cte
(fluencia en estado estacionario)
iii) La velocidad de fluencia aumenta
rápidamente (estricción) con el tiempo
hasta la fractura
La fluencia aumenta con la
temperatura y con el esfuerzo
44

Propiedades mecánicas
Variabilidad de las propiedades mecánicas
En los resultados de los ensayos mecánicos siempre aparece cierta variabilidad
o dispersión de los valores para distintas probetas ensayadas. Esto es debido a una
serie de factores que no se pueden controlar tanto en el método de ensayo como en
la fabricación de la probeta (inhomogeneidades no detectables del material,
colocación en las mordazas, etc.), y es algo inevitable aunque se puede minimizar
En los materiales cerámicos es especialmente grave
Por este motivo, se suele trabajar con valores promedio y otros parámetros
estadísticos:
n
x
x
n
i
i


 1
Valor medio o valor típico
( )
2
/
1
1
2
1
)
(

















n
x
x
s
n
i
i
Desviación estándar
n número de medidas
xi valor de una medida
da idea de la dispersión de los valores
medidos
45

Propiedades mecánicas
Variabilidad de las propiedades mecánicas
La variabilidad de las propiedades de los materiales es el motivo para introducir
en el diseño de componentes los factores de seguridad (N)
La tensión de seguridad o de trabajo para metales dúctiles en tracción se toma como
la resistencia a la fluencia dividido por el factor de seguridad
N
y
w
s
s 
La selección de un valor para N depende del coste, la experiencia previa con ese
material, la exactitud con la que han sido determinadas las propiedades mecánicas y
otro tipo de propiedades del material, y las consecuencias que la rotura del material
puede tener en términos de daños materiales, ambientales o de vidas humanas
Se suelen utilizar valores de N entre 1,2 y 4,0, siendo 2,0 un valor promedio muy
aconsejable
Si N es demasiado grande, se dice que el componente está sobrediseñado
46

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