Ensayos no destructivosM.C Edgar Eduardo Tapia Silva

Propiedades Mecnicas

Alumnos:David Alberto Daz Venegas Luis Daniel Garcia Cazares

En ingeniera, las propiedades mecnicas de los materiales son las caractersticas inherentes, que permiten diferenciar un material de otro. Tambin hay que tener en cuenta el comportamiento que puede tener un material en los diferentes procesos de mecanizacin que pueda tener.

ElasticidadEl trmino elasticidad designa la propiedad mecnica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentran sujetos a la accin de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan.

PlasticidadLa plasticidad es la propiedad mecnica que tiene un material para deformarse permanentemente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su limite elstico.

Resistencia a la fluenciaEs la fuerza que se le aplica a un material para deformarlo sin que recupere su antigua forma al parar de ejercerla.

resistencia a la traccin o resistencia ltimaIndica la fuerza de mxima que se le puede aplicar a un material antes de que se rompa.

Resistencia a la torsinFuerza torsora mxima que soporta un material antes de romperse.

Resistencia a la fatigaDeformacin de un material que puede llegar a la ruptura al aplicarle una determinada fuerza repetidas veces.

Durezaes la resistencia de un cuerpo a ser rayado por otro. Opuesta a duro es blando. El diamante es duro porque es difcil de rayar. Es la capacidad de oponer resistencia a la deformacin superficial por uno ms duro.La dureza es la oposicin que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetracin, la abrasin, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes; entre otras. Tambin puede definirse como la cantidad de energa que absorbe un material ante un esfuerzo antes de romperse o deformarse. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho ms difcil de rayar.En metalurgia la dureza se mide utilizando un durmetro para el ensayo de penetracin. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza. El inters de la determinacin de la dureza en los aceros estriba en la correlacin existente entre la dureza y la resistencia mecnica, siendo un mtodo de ensayo ms econmico y rpido que el ensayo de traccin, por lo que su uso est muy extendido.Hasta la aparicin de la primera mquina Brinell para la determinacin de la dureza, sta se meda de forma cualitativa empleando una lima de acero templado que era el material ms duro que se empleaba en los talleres.

Las escalas de Dureza de uso industrial son las siguientes:oDureza Brinell: Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de W. Para materiales duros, es poco exacta pero fcil de aplicar. Poco precisa con chapas de menos de 6mm de espesor. Estima resistencia a traccin.oDureza Knoop: Mide la dureza en valores de escala absolutas, y se valoran con la profundidad de seales grabadas sobre un mineral mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza estndar.oDureza Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la ms extendida, ya que la dureza se obtiene por medicin directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeo tamao de la huella.oRockwell superficial: Existe una variante del ensayo, llamada Rockwell superficial, para la caracterizacin de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas de materiales que han recibido algn tratamiento de endurecimiento superficial.oDureza Rosiwal: Mide en escalas absoluta de durezas, se expresa como la resistencia a la abrasin medias en pruebas de laboratorio y tomando como base el corindn con un valor de 1000.oDureza 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 mtodo elstico, no de penetracin como los otros.oDureza Vickers: Emplea como penetrador un diamante con forma de pirmide 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.oDureza Webster: Emplea mquinas manuales en la medicin, siendo apto para piezas de difcil manejo como perfiles largos extruidos. El valor obtenido se suele convertir a valores Rockwell.En mineraloga se utiliza la escala de Mohs, creada por el Aleman Friedrich Mohs en 1820, que mide la resistencia al rayado de los materiales:

DurezaMineralComposicin qumica

1Talco, (se puede rayar fcilmente con la ua)Mg3Si4O10(OH)2

2Yeso, (se puede rayar con la ua con ms dificultad)CaSO42H2O

3Calcita, (se puede rayar con una moneda decobre)CaCO3

4Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo)CaF2

5Apatita, (se puede rayar difcilmente con un cuchillo)Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)

6Feldespato, (se puede rayar con una cuchilla deacero)KAlSi3O8

7Cuarzo, (raya el acero)SiO2

8Topacio,Al2SiO4(OH-,F-)2

9Corindn, (slo se raya mediantediamante)Al2O3

10Diamante, (el mineral natural ms duro)C

Fragilidadse relaciona con la cualidad de los objetos y materiales de romperse con facilidad. Aunque tcnicamente la fragilidad se define ms propiamente como la capacidad de un material de fracturarse con escasa deformacin. Por el contrario, los materiales dctiles o tenaces se rompen tras sufrir acusadas deformaciones, generalmente de tipo deformaciones plsticas, tras superar el lmite elstico. Los materiales frgiles que no se deforman plsticamente antes de la fractura suelen dan lugar a "superficies complementarias" que normalmente encajan perfectamente. Curvas representativas de Tensin-Deformacin de un material frgil (rojo) y un material dctil y tenaz (azul).

La rotura frgil tiene la peculiaridad de absorber relativamente poca energa, a diferencia de la rotura dctil, ya que la energa absorbida por unidad de volumen viene dada por:Si un material se rompe prcticamente sin deformacin las componentes del tensor deformacin resultan pequeas y la suma anterior resulta en una cantidad relativamente pequea.La fragilidad de un material adems se relaciona con la velocidad de propagacin o crecimiento de grietas a travs de su seno. Esto significa un alto riesgo de fractura sbita de los materiales con estas caractersticas una vez sometidos a esfuerzos. Por el contrario los materiales tenaces son aquellos que son capaces de frenar el avance de grietas.Otros trminos frecuentemente confundidos con la fragilidad que deben ser aclarados:Lo opuesto a un material muy frgil es un material dctil.Por otra parte la dureza no es opuesto a la fragilidad, ya que la dureza es la propiedad de alterar solo la superficie de un material, que es algo totalmente independiente de si ese material cuando se fractura tiene o no deformaciones grandes o pequeas. Como ejemplo podemos citar el diamante que es el material ms duro que existe, pero es extremadamente frgil.La tenacidad puede estar relacionada con la fragilidad segn el mdulo de elasticidad, pero en principio un material puede ser tenaz y poco frgil (como ciertos aceros) y puede ser frgil y nada tenaz (como el barro cocido).Fatiga: la fatiga de materiales se refiere a un fenmeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinmicas cclicas se produce ms fcilmente que con cargas estticas. Aunque es un fenmeno que, sin definicin formal, era reconocido desde la antigedad, este comportamiento no fue de inters real hasta la Revolucin Industrial, cuando, a mediados del siglo XIX comenzaron a producir las fuerzas necesarias para provocar la rotura con cargas dinmicas son muy inferiores a las necesarias en el caso esttico; y a desarrollar mtodos de clculo para el diseo de piezas confiables. Este no es el caso de materiales de aparicin reciente, para los que es necesaria la fabricacin y el ensayo de prototipos.Las curvas S-N se obtienen a travs de una serie de ensayos donde una probeta del material se somete a tensiones cclicas con una amplitud mxima relativamente grande (aproximadamente 2/3 de la resistencia esttica a traccin). Se cuentan los ciclos hasta rotura. Este procedimiento se repite en otras probetas a amplitudes mximas decrecientes.

Los resultados se representan en un diagrama de tensin, S, frente al logaritmo del nmero N de ciclos hasta la rotura para cada una de las probetas. Los valores de S se toman normalmente como amplitudes de la tensin.Se pueden obtener dos tipos de curvas S-N. A mayor tensin, menor nmero de ciclos hasta rotura. En algunas aleaciones frreas y en aleaciones de titanio, la curva S-N se hace horizontal para valores grandes de N, es decir, existe una tensin lmite, denominada lmite de fatiga, por debajo del cual la rotura por fatiga no ocurrir.En la Curva S-N de un Aluminio frgil, la curva decrecera y tiende a decrecer hasta llegar a rotura.Suele decirse, de manera muy superficial, que muchas de las aleaciones no frreas (aluminio, cobre, magnesio, etc.) no tienen un lmite de fatiga, dado que la curva S-N contina decreciendo al aumentar N. Segn esto, la rotura por fatiga ocurrir independientemente de la magnitud de la tensin mxima aplicada, y por tanto, para estos materiales, la respuesta a fatiga se especificara mediante la resistencia a la fatiga que se define como el nivel de tensin que produce la rotura despus de un determinado nmero de ciclos. Sin embargo, esto no es exacto: es ingenuo creer que un material se romper al cabo de tantos ciclos, no importa que pequea sea la tensin presente.

Acritud:El Endurecimiento por deformacin (tambin llamado endurecimiento en fro o por acritud) es el endurecimiento de un material por una deformacin plstica a nivel macroscpico que tiene el efecto de incrementar la densidad de dislocaciones del material. A medida que el material se satura con nuevas dislocaciones, se crea una resistencia a la formacin de nuevas dislocaciones. Esta resistencia a la formacin de dislocaciones se manifiesta a nivel macroscpico como una resistencia a la deformacin plstica. En cristales metlicos, es usual que las dislocaciones formen una deformacin irreversible a escala microscpica, y terminan por producir una reestructuracin a medida que se propagan por la estructura del cristal. A temperaturas normales las dislocaciones se acumulan en lugar de aniquilarse, y sirven como defectos puntuales u obstculos que impiden significativamente su movimiento. Esto lleva a un incremento en la resistencia del material y a la consecuente disminucin en la ductilidad.

Resiliencia: se llama resiliencia de un material a la energa de deformacin (por unidad de volumen) que puede ser recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la deformacin. La resiliencia es igual al trabajo externo realizado para deformar un material hasta su lmite elstico:

En trminos simples es la capacidad de memoria de un material para recuperarse de una deformacin, producto de un esfuerzo externo. El ensayo de resiliencia se realiza mediante el Pndulo de Charpy, tambin llamado prueba Charpy.Se diferencia de la tenacidad en que sta cuantifica la cantidad de energa almacenada por el material antes de romperse, mientas que la resiliencia tan slo da cuenta de la energa almacenada durante la deformacin elstica. La relacin entre resiliencia y tenacidad es generalmente montona creciente, es decir, cuando un material presenta mayor resiliencia que otro, generalmente presenta mayor tenacidad. Sin embargo, dicha relacin no es lineal.

La tenacidad corresponde al rea bajo la curva de un ensayo de traccin entre la deformacin nula y la deformacin correspondiente al lmite de rotura (resistencia ltima a la traccin).La resiliencia es la capacidad de almacenar energa en el periodo elstico, y corresponde al rea bajo la curva del ensayo de traccin entre la deformacin nula y el lmite de fluencia.

La lectura de las propiedades mecnicas de los materiales se realiza con la interpretacin de la rotura del material a los diferentes tipos de esfuerzos:

ESFUERZO Y DEFORMACIN

El esfuerzo se define aqu como la intensidad de las fuerzas componentes internas distribuidas que resisten un cambio en la forma de un cuerpo. El esfuerzo se define en trminos de fuerza por unidad de rea. Existen tres clases bsicas de esfuerzos: tensivo, compresivo y corte. El esfuerzo se computa sobre la base de las dimensiones del corte transversal de una pieza antes de la aplicacin de la carga, que usualmente se llaman dimensiones originales.

La deformacin se define como el cambio de forma de un cuerpo, el cual se debe al esfuerzo, al cambio trmico, al cambio de humedad o a otras causas. En conjuncin con el esfuerzo directo, la deformacin se supone como un cambio lineal y se mide en unidades de longitud. En los ensayos de torsin se acostumbra medir la deformacin cmo un ngulo de torsin (en ocasiones llamados detrusin) entre dos secciones especificadas.

Cuando la deformacin se define como el cambio por unidad de longitud en una dimensin lineal de un cuerpo, el cual va acompaado por un cambio de esfuerzo, se denomina deformacin unitaria debida a un esfuerzo. Es una razn o numero no dimensional, y es, por lo tanto, la misma sin importar las unidades expresadas, su clculo se puede realizar mediante la siguiente expresin:

e = e / L (14)

donde,e : es la deformacin unitaria,e : es la deformacinL : es la longitud del elemento

En la figura se muestra la relacin entre la deformacin unitaria y la deformacin. Si un cuerpo es sometido a esfuerzo tensivo o compresivo en una direccin dada, no solo ocurre deformacin en esa direccin (direccin axial) sino tambin deformaciones unitarias en direcciones perpendiculares a ella (deformacin lateral). Dentro del rango de accin elstica la compresin entre las deformaciones lateral y axial en condiciones de carga uniaxial (es decir en un solo eje) es denominada relacin de Poisson. La extensin axial causa contraccin lateral, y viceversa.

1.Esfuerzo de CompresinLa resistencia a la compresin es el mximo esfuerzo de compresin que un material es capaz de desarrollar. Con un material quebradizo que falla en compresin por ruptura, la resistencia a la compresin posee un valor definido. En el caso de los materiales que no fallan en compresin por una fractura desmoronante (materiales dctiles, maleables o semiviscosos), el valor obtenido para la resistencia a la compresin es un valor arbitrario que depende del grado de distorsin considerado como falla efectiva del material. Se muestran diagramas caractersticos de esfuerzo y deformacin para materiales dctiles y no dctiles en compresin:

La figura muestra los diagramas esquemticos de esfuerzo y deformacin para materiales dctiles y no dctiles, ensayados a compresin hasta la ruptura.

2.Esfuerzo de Flexin

En las vigas la flexin genera momentos internos; en un diagrama de momentos flectores internos, un momento positivo significa que en su seccin transversal, la fibra inferior al eje neutro (que coincide con el eje centroidal) est sometido a esfuerzos normales de tensin, y la fibra superior al eje neutro estar sometido a esfuerzos normales de compresin. Sin embargo, estos esfuerzos no se distribuyen en forma constante, como en los esfuerzos normales directos, sino que tienen una distribucin variable, a partir del eje neutro hasta las fibras extremas. Se puede deducir como es el comportamiento de la seccin transversal cuando el momento flector interno es negativo, y de igual manera, que en el eje neutro, los esfuerzos normales son nulos, y mximos para cada caso en las fibras extremas.

La Capacidad resistente a flexin en vigas de acero se define segn las siguientes:

La resistencia a flexin de perfiles compactos es una funcin de la longitud no soportada conocida como Lb. Si sta es menor que el parmetro Lp, se considera que la viga cuenta con un soporte lateral total y por lo tanto su capacidad resistente a flexin es el momento plstico Mp. Cuando la longitud del elemento es mayor a Lp la resistencia en flexin disminuye por efecto de pandeo lateral inelstico o pandeo lateral elstico. Si Lb es mayor que Lp pero menor o igual al parmetro Lr, se trata de un pandeo lateral torsional (PLT) inelstico. Cuando Lb es mayor que Lr la resistencia del perfil se basa en el pandeo lateral torsional elstico. La Figura 1 muestra la relacin entre la longitud soportada Lb y el momento resistente Mn (Segui, 2000).Los parmetros indicados en la figura se obtienen con las siguientes ecuaciones: Las longitudes Lp y Lr vienen dadas por:

3.Esfuerzo de Traccin TensinSe denomina traccin al esfuerzo interno a que est sometido un cuerpo por la aplicacin de dos fuerzas que actan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. Lgicamente, se considera que las tensiones que tiene cualquier seccin perpendicular a dichas fuerzas son normales a esa seccin, y poseen sentidos opuestos a las fuerzas que intentan alargar el cuerpo. Un cuerpo sometido a un esfuerzo de traccin sufre deformaciones positivas (estiramientos) en ciertas direcciones por efecto de la traccin. Sin embargo el estiramiento en ciertas direcciones generalmente va acompaado de acortamientos en las direcciones transversales; as si en unprisma mecnico la traccin produce un alargamiento sobre el eje "X" que produce a su vez un encogimiento sobre los ejes "Y" y "Z". Este encogimiento es proporcional al coeficiente de Poisson ():Cuando se trata de cuerpos slidos, las deformaciones pueden ser permanentes: en este caso, el cuerpo ha superado su punto de fluencia y se comporta de forma plstica, de modo que tras cesar el esfuerzo de traccin se mantiene el alargamiento; si las deformaciones no son permanentes se dice que el cuerpo es elstico, de manera que, cuando desaparece el esfuerzo de traccin, aqul recupera su longitud primitiva.La relacin entre la traccin que acta sobre un cuerpo y las deformaciones que produce se suele representar grficamente mediante un diagrama de ejes cartesianos que ilustra el proceso y ofrece informacin sobre el comportamiento del cuerpo de que se trate.

Ensayo de traccinSe define el ensayo de traccin como al esfuerzo al que se somete la probeta de un material a un esfuerzo de traccin hasta que el material se rompe. Se utiliza para analizar la resistencia que tiene un material al aplicar una fuerza que va creciendo gradualmente. Un ensayo de traccin se realiza colocando la pieza de un material cualquiera entre unas pinzas que aplicarn una fuerza de traccin que ir aumentando gradualmente hasta su rotura. A medida que aumenta la fuerza se mide la longitud que aumenta y se puede observar durante el alargamiento una estriccin que se produce por este efecto. El comportamiento del material al ir estirndose por la accin de la fuerza es recogido por un ordenador y llevado a una tabla directamente.

En la grfica, se pueden analizar distintos valores de cmo se comporta el material ante los esfuerzos de traccin (si soporta grandes esfuerzos o por el contrario se rompe con mucha facilidad). Pero adems se pueden observar distintos comportamientos del material. Dentro de la tabla se pueden analizar dos zonas: la zona elstica y la zona plstica.La zona elstica es donde el material (desde el comienzo de la aplicacin de la fuerza hasta un punto determinado) puede recuperar su forma original si se deja de aplicar la fuerza. Y se subdivide en zona de proporcionalidad que es donde la proporcin entre el aumento del esfuerzo y el alargamiento es constante; y en zona de no proporcionalidad que nos indica que el esfuerzo al que es sometido no es proporcional al alargamiento producido por el material en esta zona.

La zona plstica es distinta a la elstica ya que si se deja de aplicar el esfuerzo de traccin, el material no es capaz de recuperar su forma original. Se distinguen tres partes: zona de fluencia que es donde el material sin necesidad de aplicar ninguna fuerza se deforma, rotura del material se observa que el material comienza a no aguantar determinados esfuerzos y rotura fsica del material que es cuando se rompe finalmente.

En el vdeo educativo del Politecnico Jaime Isaza Cadavid, se referencia en detalle el Diagrama esfuerzo deformacin

4.Esfuerzo de Torsin

Esfuerzo de Torsin, que es en teora cualquier vector colineal con un eje geomtrico de un elemento mecnico, debido a la accin de tal carga se produce una torcedura en el elemento mecnico, que si sobrepasa cierto valor por supuesto termina rompiendo la pieza elemento.El ngulo de torsin de una barra de seccin circular es:DondeT = momento torsionantel = longitud de la barraG = mdulo de rigidezJ = momento polar de inercia del rea transversalLas caractersticas de las variables de la ecuacin se pueden visualizar en la figura

DuctilidadLa ductilidad es una propiedad que presentan algunos materiales, como las aleaciones metlicas o materiales asflticos, los cuales bajo la accin de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse, permitiendo obtener alambres o hilos de dicho material. A los materiales que presentan esta propiedad se les denomina dctiles. Los materiales no dctiles se clasifican de frgiles. Aunque los materiales dctiles tambin pueden llegar a romperse bajo el esfuerzo adecuado, esta rotura slo se produce tras producirse grandes deformaciones.

MaleabilidadLa maleabilidad es la propiedad de la materia, que junto a la ductilidad presentan los cuerpos al ser elaborados por deformacin. Se diferencia de aquella en que mientras la ductilidad se refiere a la obtencin de hilos, la maleabilidad permite la obtencin de delgadas lminas de material sin que ste se rompa. Es una cualidad que se encuentra opuesta a la ductilidad puesto que en la mayora de los casos no se encuentran ambas cualidades en un mismo material.

MaquinabilidadLa maquinabilidad es una propiedad de los materiales que permite comparar la facilidad con que pueden ser mecanizados por arranque de virutas.

ColabilidadEs la capacidad de un metal fundido para producir piezas fundidas completas a partir de un molde.