3. La mecánica de materiales estudia las deformaciones
unitarias y desplazamiento de estructuras y sus
componentes debido a las cargas que actúan sobre
ellas.
4. ANTECEDENTES DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS
DE LOS MATERIALES (BACKGROUND ON
MECHANICAL TESTING OF MATERIALS)
Su objetivo es determinar la respuesta de una
material ante la aplicación de una fuerza.
Tensión promedio (Avg. Stress)= P /
Esfuerzos de Tensión: Cuando un elemento es
sometido a tensión este tiende a separarse.
5. Esfuerzos de Compresión: Las cargas que actúan en
un elemento tienden a aplastarlo.
Esfuerzos de Cortantes: Tienden a dividir un
miembro.
6. Esfuerzo Torsional: Las cargas que soporta el
elemento tienden a torcerlo.
Esfuerzos Flectores: Un elemento tiende a curvarse.
Los miembros cargados tienden a cambiar su forma (sección
transversal o longitudinal).
Deformación = cambio de la longitud.
Esfuerzo = deformación / longitud del miembro
7. MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAYO (UNIVERSAL
TESTING MACHINE - UTM)
Máquina semejante a una prensa usada para medir
las respuestas de los materiales a las tres principales
formas de esfuerzos: tracción, compresión y corte.
8. DIAGRAMA ESFUERZO – DEFORMACIÓN
(STRESS/STRAIN DIAGRAM)
Es la curva que resulta de los valores del esfuerzo y
su correspondiente deformación unitaria.
Carga/ (Área de esfuerzo original) Esfuerzo
Deformación/ (Longitud original) Deformación
Unitaria
9. ELASTICIDAD (ELASTICITY)
Propiedad de los materiales de regresar a su forma original
una ves que se retira la carga.
PLASTICIDAD (PLASTICITY)
Propiedad mecánica de un material de deformarse
permanente sin que ocurra fracturas.
10. TIPOS COMUNES DE PROPIEDADES
MECÁNICAS (COMMON TYPES OF
MECHANICAL PROPERTIES)
- Propiedades derivadas del diagrama esfuerzo –
deformación (properties derived from
stress/strain daig)
- Resistencia al impacto (Impact Resistance )
- Dureza (Hardness)
- Fatiga (Fatigue)
- Fluencia Lenta (Creep)
- Ruptura por tensión (Rupture Stress)
11. PROPIEDADES DERIVADAS DEL DIAGRAMA
ESFUERZO –DEFORMACIÓN
- Rotura (Strength)
- Rigidez (Stiffness)
- Ductilidad (Ductility)
- Módulo de Resiliencia (Modulus of Resilience)
- Módulo de Tenacidad (Modulus of Toughness)
12. RESISTENCIA A LA ROTURA
Es la resistencia al esfuerzo máximo de un material y
es igual a: Carga máxima / Área de esfuerzo original
Resistencia a la tracción (Aleación metálica
(Aceros), Compuestos (FRP))
Resistencia a la compresión (Hierros fundidos,
T.S. Polímeros, Cerámicas)
Resistencia al corte = 40 % de la resistencia a la
tracción
Resistencia Especifica = resistencia a la
tracción/densidad
13. PUNTO DE LIMITE ELÁSTICO/LIMITE ELASTICO.
(YIELD POINT STRESS /YIELD STRENGTH )
Es el esfuerzo máximo que un material puede
soportar sin sufrir deformaciones permanentes.
14. MÉTODO DE DESPLAZAMIENTO.
El esfuerzo se obtiene en la intersección de la curva
esfuerzo-deformación con una línea paralela a la
pendiente de la curva en la zona elástica a 0,2%
RIGIDEZ
Stiffness
Es la capacidad de un elemento estructural para
soportar esfuerzos sin adquirir grandes
deformaciones E = Módulo de Elasticidad
15. DUCTILIDAD
DUCTILITY
Es la propiedad que mide la elasticidad de un material.
%Ductilidad = tensión a la fractura * 100
% Elongación = cambio en la longitud/longitud inicial
% Reducción en Área = cambio en la
longitud/longitud inicial
Aleaciones forjadas y polímeros.
16. MÓDULO DE RESILIENCIA
MODULUS OF RESILIENCE
Es la máxima cantidad de energía por unidad de
volumen que un material puede absorber sin
producir una deformación permanente.
Puede ser calculado como el área bajo la curva de
esfuerzo-deformación desde el origen hasta el límite
proporcional (elástico) y se representa como el área
sombreada.
17. TENACIDAD
TOUGHNESS
Es la máxima cantidad de energía necesaria por
unidad de volumen para que se produzca la fractura
en un material determinado.
Se mide por el área total bajo la curva de
esfuerzo/deformación.
18. El ensayo de impacto consiste en dejar caer un
pesado péndulo, el cual a su paso golpea una
probeta ubicada en la base de la maquina. La
probeta rompe de un solo golpe.
Charpy (ISO 179-1, ASTM D 6110)
Izod (ISO 180, ASTM D 256, ASTM D 4508)cantilever beam
impact (ASTM D 4812)
19. La resistencia al
impacto describe
la capacidad del
material a
absorber golpes y
energía sin
romperse.
La tenacidad del
material depende
de la temperatura
y la forma.
Prueba de impacto .-es una
prueba dinámica que permite
predecir en cierta forma el
comportamiento dúctil ó frágil
de un material a una temperatura
especifica.El ensayo determina la
energía absorbida por una
probeta (ranurada) durante su
fractura; esto se denomina, como
tenacidad del material.
Se tienen 2 tipos de ensayo de
impacto referidos :Charpy e
Izod.
El ensayo de impacto Charpy
emplea probetas con tres tipos
de ranuras: en “ V ”, “ojo de
cerradura” y en “U”;
mientras que el de tipo Izod
sólo utiliza la ranura en “ V ”.
20. La diferencia entre los dos
radica en la forma como se
posiciona la muestra. La
probeta que se utiliza para
ambos ensayos es una barra
de sección transversal
cuadrada dentro de la cual se
ha realizado una talla en
forma de V.
Esta probeta se sostiene mediante
mordazas paralelas que se
localizan de forma horizontal en
el ensayo tipo Charpy y de forma
vertical en el ensayo tipo Izod. Se
lanza un pesado péndulo desde
una altura h conocida, este
péndulo golpea la muestra al
descender y la fractura. Si se
conoce la masa del péndulo y la
diferencia entre la altura final e
inicial, se puede calcular la energía
absorbida por la fractura.
La fractura de un
material comienza en
el lugar donde la
concentración de
tensión es lo más
grande posible, como
lo es la punta de una
grieta.
21. Ensayo de impacto para determinar la temperatura de
transición a ductilidad nula (NDT) en aceros férricos
A temperaturas por encima de la NDT cuando se realiza
un ensayo de tracción, una pieza de acero se estira o se
deforma de manera dúctil.
A temperaturas por debajo del NDT esa misma pieza de acero
se romperá de manera quebradiza cuando esté sometida a
cargas superiores a su límite elástico.
La temperatura NDT es la temperatura a la que el modo de
fractura del acero pasa de dúctil a quebradizo.
ASTM E208
22. La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a
alteraciones como la penetración, la abrasión, el rayado, la
cortadura, las deformaciones permanentes; entre otras.
También puede definirse como la cantidad de energía que
absorbe un material ante un esfuerzo antes de romperse o
deformarse.
El ensayo de dureza es simple, de alto rendimiento ya que
no destruye la muestra y particularmente útil para evaluar
propiedades de los diferentes componentes
microestructurales del material.
El interés de la determinación de la dureza en los aceros
estriba en la correlación existente entre la dureza y la
resistencia mecánica, siendo un método de ensayo más
económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo que
su uso está muy extendido.
23. Dureza Rockwell: Se
utiliza como punta un
cono de diamante (en
algunos casos bola de
acero). Es la más
extendida, ya que la
dureza se obtiene por
medición directa y es
apto para todo tipo de
materiales. Se suele
considerar un ensayo no
destructivo por el
pequeño tamaño de la
huella.
Rockwell superficial
piezas muy delgadas,
como cuchillas de afeitar
o capas de materiales que
han recibido algún
tratamiento de
endurecimiento
superficial.
Dureza Brinell:
Emplea como punta
una bola de acero
templado o carburo
de W. Para
materiales duros, es
poco exacta pero
fácil de aplicar. Poco
precisa con chapas
de menos de 6mm
de espesor. Estima
resistencia a
tracción.
Dureza Vickers:
Emplea como
penetrador un
diamante con forma
de pirámide
cuadrangular. Para
materiales blandos,
los valores Vickers
coinciden con los de
la escala Brinell.
Mejora del ensayo
Brinell para efectuar
ensayos de dureza
con chapas de hasta
2mm de espesor.
Dureza Knoop:
Mide la dureza
en valores de
escala absolutas,
y se valoran con
la profundidad
de señales
grabadas sobre
un mineral
mediante un
utensilio con una
punta de
diamante al que
se le ejerce una
fuerza estándar.
Dureza Shore:
Emplea un
escleroscopio. Se
deja caer un
indentador en la
superficie del
material y se ve el
rebote. Es
adimensional, pero
consta de varias
escalas. A mayor
rebote -> mayor
dureza. Aplicable
para control de
calidad superficial.
Es un método
elástico, no de
penetración como
los otros.
24. Se refiere un fenómeno por el cual la rotura de los materiales
bajo cargas dinámicas cíclicas se produce ante cargas
inferiores a las cargas estáticas que producirían la rotura.
La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras
sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes (puentes,
automóviles, aviones, etc.).
Su principal peligro es que puede ocurrir a una tensión menor que la resistencia
a tracción o el límite elástico para una carga estática, y aparecer sin previo aviso,
causando roturas catastróficas. Es un fenómeno muy importante, ya que es la
primera causa de rotura de los materiales metálicos (aproximadamente el90%),
aunque también está presente en polímeros, y en cerámicas.
La rotura por fatiga tiene aspecto frágil aún en metales dúctiles, puesto que no
hay apenas deformación plástica asociada a la rotura. El proceso consiste en un
inicio y posterior propagación de fisuras, que crecen desde un tamaño inicial
microscópico hasta un tamaño macroscópico capaz de comprometer la
integridad estructural del material.
25. El fenómeno conocido
como "creep", se define
como: "la parte
dependiente del tiempo
de las deformaciones
provenientes de
tensiones".
En muchas aplicaciones los
componentes se ven
obligados a soportar cargas
constantes durante lapsos
prolongados, como por
ejemplo cables de acero. En
tales circunstancias el
material puede continuar
deformándose hasta que su
utilidad se ve seriamente
perjudicada.
Tales tipos de
deformaciones
dependientes del tiempo
pueden ser casi
imperceptibles, pero crecen
durante toda la vida útil de
la pieza y llevan a la rotura,
aún sin que la carga haya
aumentado.
Con cargas aplicadas por
corto tiempo, como en un
ensayo de tracción estático,
hay una deformación inicial
que aumenta
simultáneamente con la
carga. Si, bajo cualquier
circunstancia, la
deformación continúa
mientras la carga se
mantiene constante, a esta
deformación adicional se la
conoce como CREEP.
26. Las deformaciones
representadas por las
ordenadas pueden asociarse a
tres tipos distintos de
mecanismos, que pueden
visualizarse dividiendo la
deformación en las tres partes
27. La primera parte es la
deformación elástica (más
la deformación plástica si la
tensión es suficientemente
alta) y ocurre casi
instantáneamente, bajo la
acción de la tensión
aplicada: es la deformación
ordinaria dada por el
diagrama de tensión-
deformación. Si la
expansión térmica que la
temperatura produce es
significativa, puede ser
incluida en este
componente.
La segunda es la
componente transitoria cuya
característica principal es
que tiene tasa (“velocidad”)
decreciente. La deformación
es rápida al comienzo pero
gradualmente se hace más
lenta a medida que se
aproxima a un valor fijo
determinado.
La tercera es la componente
permanente que aumenta
continuamente, a tasa
constante bajo tensión
constante. Por tratarse de un
movimiento similar al flujo
viscoso, se lo conoce a veces
como creep viscoso.
28. Se denomina tensión de rotura, a la máxima tensión que un
material puede soportar al ser traccionado antes de que se
produzca necking, que es cuando la sección transversal del
especimen se comienza a contraer de manera significativa.
La tensión de rotura se obtiene por lo general realizando
un ensayo de tracción y registrando la tensión en función de
la deformación (o alargamiento); el punto más elevado de la
curva tensión-deformación es la tensión de rotura.
Es una propiedad intensiva; por lo tanto su valor no depende del tamaño del
espécimen de ensayo. Sin embargo, depende de otros factores, tales como la
preparación del especímen, la presencia o no de defectos superficiales, y la
temperatura del medioambiente y del material.
Las tensiones de rotura rara vez son consideradas en el diseño de
elementos dúctiles, pero sin embargo son muy importantes en el diseño de
elementos frágiles. Las mismas se encuentran tabuladas para los materiales
más comunes tales como aleaciones, materiales
compuestos, cerámicos, plásticos, y madera.
La tensión de rotura es definida como una tensión que se mide en unidades de fuerza por
unidad de área
En el sistema internacional, la unidad es el pascal (Pa) (o un múltiplo del mismo, a menudo el
megapascal (MPa), utilizando el prefijo Mega); o, equivalente al Pascal, Newtonpor metro
cuadrado (N/m²).
29. CONCENTRACION DE ESFUERZOS
(Stress Concentration).
El concepto de concentración de
esfuerzos, se refiere al estado
macroscópico de esfuerzos, y tiene un
significado único para problemas en el
plano que involucran la definición de
esfuerzo promedio.
Entonces si se barrena un agujero en una
placa sometida a tensión, el esfuerzo
presente en el elemento es constante
siempre y cuando se mida a una distancia
apreciable del agujero, pero el esfuerzo
tangencial en el borde del agujero se
vería incrementando
considerablemente.
