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Materiales: tipos y propiedades
Tecnología Industrial
Materiales: Tipos y propiedades
1. Introducción: importancia, clasificación yelección de los materiales
Los materiales constituyen cualquier producto de uso cotidiano y desde el origen de los tiemposhan sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida.
Al principio, estos se encontraban espontáneamente en la naturaleza: la madera, la piedra, elhueso, el cuerno o la piel. Más tarde se empezaron a emplear otros materiales más elaboradoscomo la arcilla, la lana o las fibras vegetales, para llegar más tarde al empleo de los metales y lasaleaciones y terminando, con la revolución industrial, con el auge del uso del acero por encima detodos los demás materiales.
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Se tiene que tener la mayor información posible para que cuando debamos optar por un material,para fabricar un objeto, un útil, o una máquina, la elección sea acertada, reuniendo el materialtodas las características que precise.
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La obtención de nuevos materiales y los procesos productivos para su transformación en productosfinales es un fin de la tecnología. Para ello es necesario conocer sus orígenes, propiedades,características y comportamiento ante los distintos tipos de requerimientos.
Se han desarrollado innumerables materiales diferentes con características muy especiales parasatisfacer necesidades muy concretas de nuestra compleja sociedad, metales, plásticos, vidrios yfibras. Actualmente los adelantos electrónicos más sofisticados se basan en el uso desemiconductores.
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La sociedad actual exige el continuo desarrollo de técnicas para obtener nuevos materiales queatiendan a necesidades cada vez más estrictas: soportar temperaturas muy elevadas, ser másresistentes a la corrosión, operar a mayores velocidades, emplear productos más ligeros…
1.1. Clasificación de los materiales
Para clasificar los materiales se pueden adoptar varios criterios. Atendiendo a su origen seclasifican en:
Materiales naturales.Materiales sintéticos artificiales.
Materiales naturales son los que se encuentran en la naturaleza, pudiendo estaren el subsuelo, sobre la tierra o en el mar.
A partir de ellos se obtienen los demás productos. Pertenecen a este grupo lamadera, el hierro, el algodón, el carbón…
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Aunque estos materiales se encuentran en la naturaleza, para poder hacer uso de ellos se debenprospectar, localizar, extraer y obtener.
Hay que ser conscientes de que se tiene que hacer un uso racional de estos materiales, ya que sibien algunos de ellos son renovables (lana, madera,...), hay otros que no lo son (petróleo,metales,...) y dejarán de existir con el paso del tiempo.
Importante
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Materiales sintéticos artificiales son los que han sido obtenidos por el hombre apartir de materiales naturales por medio de procesos físicos y químicos.
Algunos ejemplos de materiales sintéticos artificiales son: el hormigón, que seobtiene a partir de la mezcla de arena, grava, cemento y agua; o la baquelitaobtenida por reacción química del fenol y el formol.
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de Andrevruas bajo CC
Importante
AV - Pregunta Verdadero-Falso
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Los materiales naturales se encuentran de forma ilimitada en la naturaleza.
Los materiales sintéticos se obtienen a partir de los materiales naturales.
Los materiales sintéticos se obtienen mezclando los naturales.
El hombre está buscando nuevos materiales naturales para afrontar lasexigencias que conlleva el avance tecnológico.
El plástico es un material natural porque proviene del petróleo, y elpetróleo se encuentra en la naturaleza.
El lino es un material artificial porque el hombre tiene que plantarlo ycultivarlo.
1.2. Criterios de elección de los materiales
La idónea elección de un material para una determinada aplicación es una decisión comprometidaque exige de un amplio conocimiento, por parte del equipo de diseño, de las propiedades de ungran número de materiales, para analizar las ventajas e inconvenientes que supone el empleo deun material específico en la fabricación de un producto.
Para tomar la decisión adecuada sobre que material seleccionar se tienen quevalorar los siguientes aspectos:
PROPIEDADES DELOS MATERIALES
DISPONIBILIDAD DELOS MATERIALES
COSTE DE LOSMATERIALES
CALIDAD DE LOS
Nos debemos asegurarde que el materialelegido va a ser el
adecuado parasoportar los esfuerzos
a los que estásometido el producto
final, o las condicionesde uso que le vamos a
dar.
Se debe saber si va ahaber existenciassuficientes de un
determinado material, demanera que la línea deproducción no se puedaver desabastecida en
ningún momento.
Al calcular el precio de unproducto, el coste de
material no debe excederde un determinado
porcentaje para que suventa resulte competitiva.En el coste están incluidos
todos los gastosacumulados durante al
prospección, localización,extracción, transporte,
transformación yalmacenaje del material.
Los investigadoresdeben desarrollar
continuamente nuevosmateriales para
satisfacer las demandasy necesidades que
impone la sociedad,
materiales con lacalidad suficiente para
requerimientos del
Por supuesto, los aspectos anteriores no se deben buscar por separado. Lo importante esseleccionar un material en el que la relación calidad-precio-prestaciones pueda satisfacer lasnecesidades del elemento final de la cadena: el consumidor.
Verdadero Falso
Verdadero Falso
En realidad, lo único que de verdad es importante a la hora de elegir unmaterial es que soporte el uso que le vamos a dar.
No se encuentran en el mercado mesas de ébano porque es una madera queno nos ofrece buenas propiedades.
La relación calidad-precio-prestaciones es la que determina la elección de
Importante
AV - Pregunta Verdadero-Falso
2. Propiedades de los materiales
Los materiales se diferencian entre sí por sus propiedades.
Las propiedades de los materiales se pueden agrupar en base a distintos criterios.Nosotros, desde un punto de vista técnico, vamos a establecer la siguienteclasificación:
Propiedades físicas.Propiedades químicas.Propiedades mecánicas.
Importante
2.1. Propiedades físicas
Propiedades físicas
Son las que nos informan sobre el comportamiento del material ante diferentesacciones externas, como el calentamiento, la luz, electricidad, etc.
Estas propiedades son debidas a la estructura microscópica del material; es laconfiguración electrónica de un átomo la que determina los tipos de enlacesatómicos y son estos los que contribuyen a forjar las propiedades de cada material.Las podemos clasificar en las siguientes categorías:
Propiedades térmicas.Propiedades ópticas.Propiedades eléctricas.Propiedades acústicas.Otras: magnetismo, densidad.
Propiedades térmicas
Determinan el comportamiento que van a tener los materiales frente al calor.
Calor específico
Es la cantidad de energía necesaria para aumentar 1 ºC la temperatura de un cuerpo. Indica lamayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios detemperatura bajo el suministro de calor.
Soldabilidad
Es la posibilidad que tienen algunos materiales para poder ser soldados.
Conductividad térmica
Es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso a su través del calor.
Como ejemplo de un material que debe ser buen conductor térmico, es el material del que estánhechas las sartenes, ollas..., para que transmita el calor desde el fuego hasta los alimentos.
Importante
Importante
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Dilatación y contracción térmica
Es la variación de dimensiones que sufren los materiales cuando se modifica su temperatura.
Esta variación viene dada por la expresión:
Donde Li es la longitud inicial, k el coeficiente de dilatación lineal (depende de cada material) y∆T es el incremento de temperatura.
En la siguiente tabla tienes los coeficientes de dilatación de materiales usuales.
COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL (ºC-1)
Vidrio 8.4 10-6 Madera 3.9 10-6
Acero 1.2 10-5 Fundición 1.3 10-5
Cobre 1.7 10-5 Zinc 3.1 10-5
Punto de congelación, ebullición y fusión
El punto de congelación es la temperatura a la cual un líquido se transforma en sólido. Elagua, por ejemplo, tiene su punto de congelación, como todos sabemos, en 0 ºC.
El punto de ebullición es la temperatura a la cual un líquido se transforma en gas.El punto de fusión es la temperatura a la cual un cuerpo en estado sólido se transforma en
líquido.
TEMPERATURA DE FUSIÓN (ºC)
Fósforo 44 Vidrio 450
Azufre 111 Aluminio 660
Estaño 231 Cobre 1083
Plomo 327 Hierro 1539
Zinc 419 Titanio 1800
Importante
Son las que determinan la aptitud de un material ante el paso de la luz a su través.
En función de este comportamiento de los materiales ante la luz, podemos clasificarlos en:
Transparentes, dejan pasar la luz (vidrio,algunos plásticos, etc.).Translúcidos, dejan pasar parte de la luz (alabastro, tela, etc.).Opacos, no dejan pasar la luz (madera, metal, etc.).
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de Dori bajo Dominio Público
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de Fb78 bajo Dominio Público
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de Fabienkhan bajo CC
Propiedades eléctricas
Determinan el comportamiento que va a tener un material cuando es atravesadopor una corriente eléctrica.
En función de este comportamiento de los materiales ante la corriente eléctrica, podemosclasificarlos en:
Conductores, ofrecen escasa resistencia al paso de los electrones (cobre, aluminio, etc.).Semiconductores, ofrecen cierta dificultad al paso de los electrones (silicio, germanio, etc.).Aislantes, ofrecen una muy alta resistencia al paso de los electrones (madera, plásticos,
etc.).
Importante
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de Scheartdt bajo Domino Público
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de Félix Vallés Calvo bajo CC Imagen en Intef bajo CC
Propiedades acústicas
Determinan el comportamiento que va a tener un material ante el sonido.
En función de este comportamiento en los materiales ante el sonido, podemos clasificarlos en:
Conductores acústicos, permiten transmitir el sonido como los metales.Aislantes acústicos, evitan en mayor medida la transmisión del sonido (poliuretano,
porexpan, etc.).
Otras propiedades
Englobamos aquí otras propiedades de los materiales en la respuesta alcomportamiento frente al magnetismo, masa, etc.
Magnetismo
Según el comportamiento ante los campos magnéticos, los materiales pueden ser:
Diamagnéticos (oro, cobre), cuando se oponen a un campo magnético aplicado, de modoque en su interior se debilita el campo.
Importante
Importante
Paramagnéticos (aluminio, platino) cuando el campo magnético en su interior es algo mayorque el aplicado.
Ferromagnéticos (hierro, níquel) cuando el campo se ve reforzado en el interior de losmateriales. Estos materiales se emplean como núcleos magnéticos en transformadores ybobinas en circuitos eléctricos y electrónicos.
Imagen en Wikimedia Commons de Omegatron bajo CC
Peso específico
Es la relación entre la masa y el volumen de un material, y se conoce con el nombre dedensidad.
DENSIDAD DE ALGUNOS MATERIALES (kg/m3)
Madera de abeto 430 Aluminio 2.680
Aceite de oliva 915 Titanio 4.450
Agua destilada 1.000 Acero fundido 7.880
Ácido sulfúrico 1.848 Cobre 8.900
Magnesio 1.740 Plomo 11.340
Un recipiente contiene 735 cm3 de un fluido, se introduce en él una esfera cuyopeso es 591 g y se comprueba que el nivel del depósito asciende hasta 810 cm3.¿De qué material es la esfera introducida?
Un cubo de 50 mm de lado tiene una masa de 1,35 kg y otro de 60 mm de 1,43 kg.Si ambos se sumergiesen en agua simultáneamente, ¿cuál de los dos se hundiríamás rápidamente?
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¿Qué propiedades físicas son determinantes a la hora de elegir el material paraconstruir una cazuela?
El punto de fusión
El coeficiente de dilatación
Conductividad térmica
¿Qué propiedades físicas son determinantes a la hora de elegir el material paraconstruir una silla para el jardín?
Peso específico
Conductividad térmica
Resistencia a la oxidación
¿Qué propiedades físicas son determinantes a la hora de elegir el material paraconstruir una puerta?
Conductividad eléctrica
El coeficiente de dilatación
Ópticas
En una línea de distribución eléctrica la longitud del cable de cobre entre dosapoyos es de 112 m. Si la temperatura ambiente es de 13 ºC, ¿Cuál es la máximatemperatura que puede alcanzar, si no debe incrementar su longitud más de 30mm?
AV - Pregunta de Selección Múltiple
En el tendido de una línea de ferrocarril cuyos raíles son de fundición, ¿a quédistancia mínima se deben colocar dos raíles consecutivos si tienen una longitud de30 m y la temperatura en la zona oscila entre 38 ºC en verano y -13 ºC eninvierno?
AYUDA: La distancia mínima a que deben colocarse dos raíles es justo la longitudque la fundición se puede dilatar en verano.
Un determinado material cuyo volumen es 1,84 dm3 presenta una masa de 4,93 kg.¿Cuál es su densidad? ¿De qué material se trata?
RECUERDA: la densidad se define como la relación existente entre masa y volumen.
2.2. Propiedades químicas
Propiedades químicas
Son las que nos informan sobre el comportamiento del material ante el ataque deproductos químicos.
Resistencia a la corrosión
La corrosión es el comportamiento que tienen los materiales al estar en contacto condeterminados productos químicos, especialmente ácidos en ambientes húmedos.
Resistencia a la oxidación
La oxidación es la capacidad de los materiales a ceder electrones ante el oxígeno de la atmósfera.
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Importante
2.3. Propiedades mecánicas
Propiedades mecánicas
Son las que describen el comportamiento de un material ante las fuerzas aplicadassobre él, por eso son especialmente importantes al elegir el material del que debeestar construido un determinado objeto.
Las propiedades mecánicas se cuantifican con exactitud mediante ensayos.
Tenacidad / Fragilidad
Estas propiedades cuantifican la resistencia de un material al golpe.
Tenacidad es la capacidad de un material de soportar, sin deformarse ni romperse, losesfuerzos bruscos que se le apliquen.
Fragilidad es la facilidad para romperse un material por la acción de un impacto.
Imagen en Wikimedia Commons de Loadmaster bajo CC Imagen en Wikimedia Commons de Sandstein bajo
Elasticidad / Plasticidad
Elasticidad es la capacidad de algunos materiales para recobrar su forma y dimensionesprimitivas cuando cesa el esfuerzo que les había deformado.
Plasticidad es la aptitud de los materiales de adquirir deformaciones permanentes, es decir,de no recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que les habíadeformado.
Importante
Imagen en Intef bajo CC Imagen en Intef bajo CC
Ductilidad
Es la propiedad que presentan algunos metales de poder estirarse sin romperse, permitiendoobtener alambres o hilos.
Maleabilidad
Es la posibilidad que presentan algunos metales de separarse en láminas delgadas sin romperse.
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de Sigmund bajo CC
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de Arcimboldo bajo CC
Resistencia mecánica
Es la capacidad que tiene un material de soportar los distintos tipos de esfuerzos (tracción,compresión, torsión, cizalladura y flexión) que existen sin deformarse permanentemente.
Dureza
Es la oposición que presenta un material a ser rayado o penetrado por otro.
Fatiga
La fatiga es una propiedad que nos indica el comportamiento de un material ante esfuerzos,inferiores al de rotura, pero que actúan de una forma repetida.
Imagen en Wikimedia Commons de LoKiLeCh bajo CC
Resiliencia
Es una medida de la energía que se debe aportar a un material para romperlo.
Mecanibilidad
Es la facilidad de algunos materiales para ser mecanizados por arranque de viruta. También se lellama maquinabilidad.
Acritud
Es el aumento de dureza y fragilidad que adquieren los materiales cuando son deformados en frío.
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Estas preguntas te ayudarán a comprender mejor las propiedades mecánicas.
Un material tenaz puede ser elástico.
Un material duro no tiene por qué ser tenaz.
Un material elástico no puede ser plástico.
¿En qué situaciones tendremos que tener en cuenta la acritud de un material?
Cuando va a ser conformado en un torno.
AV - Pregunta Verdadero-Falso
AV - Pregunta de Elección Múltiple
La maleabilidad es:
La propiedad de separarse un material en láminas.
La propiedad de estirarse un material en hilos.
La capacidad de un material de llenar un molde.
Un material que tiene colabilidad tiene mecanibilidad.
Siempre.
Algunas veces.
Nunca.
3. Ensayos mecánicos, tipos de esfuerzos
Los ensayos simulan las condiciones en la que van a trabajar los materiales y deese modo podemos determinar sus características y comportamiento. Por eso de losensayos debemos sacar unos datos precisos y fiables acerca del material estudiado.
El comportamiento mecánico de un material es la relación entre su respuesta odeformación ante una solicitación o esfuerzo aplicado. Estas solicitaciones suelenser alguna de los siguientes tipos:
Tracción.Compresión.Cortadura.Torsión.
Entre los ensayos mecánicos más utilizados podemos destacar:
Ensayo de tracción.Ensayo de dureza.Ensayo de choque.
Antes de empezar a conocer los ensayos más importantes haremos una pequeña introducción decómo las cargas actúan sobre los materiales y de los conceptos de tensión y deformación.
Tipos de esfuerzos o cargas aplicadas a los materiales.
En las siguientes imágenes vemos la representación esquemática de cuál es el efecto de lasdiferentes cargas:
Fuerza de tracción: que produce una elongación o alargamiento.Carga de compresión: que produce contracción.Esfuerzo de cortadura: similar al que aplicara las hojas de unas tijeras.Deformación de torsión generada por un par de fuerzas: similar al producido en un
retorcimiento.
Las líneas punteadas representan la forma de nuestra probeta antes de la deformación y las líneassólidas representan el cuerpo después de la deformación.
Importante
Imagen elaboración propia Imagen elaboración propia Imagen elaboración propia
Tensión y deformación
Consideremos una varilla cilíndrica de longitud lo y una sección transversal de superficie So,sometida a una fuerza F uniaxial (dirigida en el sentido longitudinal del eje), como indica en lafigura.
Imagen elaboración propia
Vemos que la barra se alarga desde su longitud inicial, lo, hasta una longitud final, l. Esadiferencia de longitudes será la deformación de nuestra varilla, aunque a continuación ladefiniremos de una forma un poco distinta.
Definimos la tensión σ en la barra como el cociente entre la fuerza uniaxial mediaF y la sección transversal original S0 de la barra.
Importante
aunque se suele expresar en Megapascales, ya que así podemos expresar lasuperficie en mm2, que es más coherente con las medidas que suelen presentar lassecciones de las piezas.
Definimos el alargamiento unitario (ε) como el cociente entre la variación delongitud respecto a la longitud inicial.
Como puede deducirse de la fórmula, la deformación es una magnitud adimensional.En la práctica es común convertir la deformación en un porcentaje de deformación%.
Deformación elástica y plástica
Cuando una probeta se somete a una fuerza uniaxial, se produce una deformación.
Si el material vuelve a sus dimensiones originales al cesar la fuerza, se diceque el material ha sufrido una deformación elástica, ya que los átomos delmaterial son desplazados de su posición y cuando la fuerza cesa, los átomosvuelven a sus posiciones originales y el material recupera su forma original.
Si el material es deformado hasta el punto que los átomos no puedenrecuperar sus posiciones originales, se dice que ha experimentado unadeformación plástica.
A continuación dos imágenes de productos comerciales, fabricados con materialesque poseen alto y bajo nivel de elasticidad respectivamente (cable telefónico, vasosde plástico).
Importante
Importante
Imagen en Flickr de mmarftrej bajo CC
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Recuerda:
Una carga de tracción sobre una probeta provoca un alargamiento y unengrosamiento de esta.
La cortadura sobre una pieza primática produce un desplazamiento de suscaras paralelas.
Un esfuerzo de compresión sobre una probeta provoca una disminución desu longitud y un engrosamiento de esta.
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Cuando aplicamos una fuerza a una probeta, la tensión depende de:
Sólo de la fuerza que aplicamos sobre la probeta.
De la fuerza que aplicamos sobre la probeta y de la sección de esta.
De la deformación que ha sufrido la probeta.
Cuando aplicamos una carga a una probeta y ésta se deforma, la deformaciónexperimentada dependerá de:
AV - Pregunta Verdadero-Falso
AV - Pregunta de Selección Múltiple
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Lo que se ha ensanchado la probeta.
En una deformación elástica:
El material deformado recupera sus dimensiones originales al cesar la fuerza.
Los átomos del material deformado son desplazados de su posición original.
Los átomos del material deformado son desplazados de su posición original ytoman nuevas posiciones fijas.
La estricción:
Es la variación de sección que experimenta una probeta cuando le aplicamosuna carga respecto a su sección inicial.
Es un estrangulamiento que se produce en la zona central de una probetacuando le aplicamos una carga.
Es la disminución relativa porcentual de la sección transversal de la probetacuando le aplicamos una carga en el momento de la rotura.
4. Ensayo de tracción
Analiza el comportamiento de un material ante un esfuerzo progresivo de tracciónhasta su rotura. Todo el proceso del ensayo está normalizado según las normas UNE7474.
Para ello se somete a una probeta de un material, de dimensiones normalizadas, aun esfuerzo progresivo. Esta va aumentando de longitud mientras su sección se vareduciendo, hasta que llega un momento en que la probeta se rompe.
Fotografía en Flickr de Ben JR bajo CC
El ensayo de tracción se realiza mediante una máquina universal de tracción que provoca ladeformación de una probeta del material a ensayar al aplicarle una carga progresiva en sentidoaxial.
La probeta se sujeta por sus extremos en la máquina por medio de mordazas que a su vezsometen la muestra a tensión progresiva. Esta carga provoca que la probeta se vaya alargando enlongitud y adelgazando en sección (estricción) de un modo progresivo hasta alcanzar la fracturade la pieza. Es, por tanto, un ensayo destructivo y, para que sea válido, la rotura debe producirseen la zona central de la probeta.
Importante
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de Magnus Manske bajo CC
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de Wizard161 bajo CC
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de Dumontierc
La máquina al realizar el ensayo de tracción, nos va a proporcionar una gráfica donde vamos arelacionar:
La fuerza aplicada "F" (eje vertical).El incremento de longitud "∆l" que sufre la probeta (eje horizontal).
En el diagrama final del ensayo de tracción o DIAGRAMA ESFUERZO-DEFORMACIÓN (verfigura a continuación), vamos a escalar los valores anteriores, por los valores iniciales (S0, l0) ynos relaciona la tensión con la deformación:
Eje vertical, la tensión σ = (F/S0)Eje horizontal, la la deformación e = (∆l/l0)
¿Cómo funciona la máquina de ensayo?
Simultáneamente, mide la carga aplicada instantáneamente y la deformación resultante; y en unpapel milimetrado se relacionan los datos de tensión/deformación y así construir la gráficaesfuerzo-deformación, similar a la que representada en la figura.
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Esta curva esfuerzo-deformación varía de un material a otro, e incluso otros materiales presentancurvas distintas; es el caso del acero. La evaluación del ensayo de tracción se realiza a partir de lacurva tensión-deformación. Veremos a continuación los parámetros que podemos obtener de ella:tensiones, módulo elástico, deformación, etc.
El diagrama anterior se pueden clasificar en dos zonas: que son las zonas que un materialpresenta en cuanto a su comportamiento ante un esfuerzo de tracción:
Zona elásticaZona plástica
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1. Zona elástica (OB)
Se caracteriza porque al cesar lastensiones aplicadas, los materialesrecuperan su longitud inicial.Podemos observar dos subzonas:
Zona de proporcionalidad(OA). En la gráfica es unalínea recta, es decir, elalargamiento unitario (ε) esproporcional a la tensiónejercida (σ). En lasaplicaciones industrialessiempre se trabaja en estazona, ya que no se producen deformaciones permanentes y además se puedeaplicar la ley de Hooke.
Zona no proporcional (AB). Pequeña zona a continuación, dónde el materialse comporta de forma elástica, pero no existe una relación proporcional entretensión y deformación.
Recuerda: Tensión de tracción (σt)
Importante
fuerza de tracción soportada por la probeta y su sección transversal inicial. Seexpresa en fuerza por unidad de superficie: Pascales (PA en el SistemaInternacional), o en MPa, o en kp/cm2.
Límite elástico (σE)
También se puede definir como la máxima tensión que el material es capaz desoportar sin sufrir deformaciones permanentes.
Esta propiedad juega un papel de gran importancia en el proyecto mecánico, porquelas piezas se calculan para que no sufran deformaciones permanentes en servicio y,en consecuencia, se debe garantizar que las tensiones que actúan cuando la piezatrabaja no superan el límite elástico.
Si miramos la gráfica anterior, σE , es la tensión en el límite superior de esta zonaproporcional, es decir en el punto A.
Modulo de elasticidad o módulo de Young (E)
Es la relación entre la tensión realizada y la deformación que provoca en el tramolineal de la curva tensión-deformación (región elástica, zona proporcional OA).
Sus unidades son MPa o N/mm2, o bien los kp/cm2. También podemos expresarlocomo:
Importante
Importante
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2. Zona plástica (BE)
En esta zona se ha rebasado latensión del límite elástico y, aunquedejemos de aplicar tensiones detracción, el material ya no recuperasu longitud original y la longitud finalserá mayor que la inicial "lo". En lazona plástica (BE) también sepueden distinguir tres subzonas:
Zona de deformaciónplástica uniforme o zona delímite de rotura (CD). Seconsiguen grandesalargamientos con un pequeñoincremento de la tensión. En elpunto D encontramos el límite de rotura y la tensión en ese punto se llamatensión de rotura (σr). A partir de este punto, la probeta se considera rota,aunque físicamente no lo esté.
Zona de rotura o zona de estricción o zona de deformación plásticalocalizada (DE). Las deformaciones son localizadas y, aunque disminuya la tensión,el material se deforma hasta la rotura. La sección de la probeta se reducedrásticamente.
En el caso del acero existe una zona justo al sobrepasar el límite elástico, ya enla zona plástica, en el que se da una deformación apreciable sin que varíe latensión aplicada. Este fenómeno se denomina fluencia y la tensión en ese punto sedenomina tensión de fluencia (σF).Se trata de la zona BC del diagrama anterior.
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Objetivos
Tensión de tracción a rotura (σR)
Es la tensión de tracción soportada por la probeta en el punto "D", que es en lagráfica anterior es el valor máximo de tensión que soporta la probeta.
En general, los metales y aleaciones muestran una relación lineal entre la tensión y ladeformación en la región elástica en un diagrama tensión–deformación que se describe mediantela ley de Hooke.
El módulo de elasticidad resulta ser igual, pues, a la tangente de la recta de la gráfica en su zonade proporcionalidad. Vemos que en esa región del diagrama tensión–deformación el módulo deelasticidad no cambia al aumentar la tensión.
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Si comparamos las gráficas de un material dúctil (Límite elástico (σE) más bajo pero se estira más)y un material frágil (Límite elástico (σE) más alto, pero se estira menos).
Importante
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Verdadero Falso
Verdadero Falso
Verdadero Falso
¿Has comprendido el ensayo de tracción?
El ensayo de tracción consiste en aplicar una carga constante a una probetahasta que se rompe.
El ensayo de tracción se llama destructivo porque acaba cuando la probetase rompe.
Los materiales presentan dos comportamientos diferenciados: el elástico yel proporcional.
Resuelve este ejercicio en el que debes calcular algunas de las propiedades vistas apartir de un ensayo de tracción.
Presta atención especial a las unidades.
En el gráfico adjunto se muestra la curva fuerza-incremento de longitud, resultantedel ensayo de tracción de un material polimérico.DATOS DEL ENSAYO:
Dimensiones de la probeta.Anchura: 12,61 mm.Espesor: 3,47 mm.Longitud inicial: 50 mm.Longitud final después de la rotura: 97 mm.Fuerza máxima alcanzada en el ensayo: 1290 N.
AV - Pregunta Verdadero-Falso
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Calcular:
a. Módulo de elasticidad o de Young (GPa).b. Resistencia a la tracción (MPa).c. % alargamiento a la rotura (ε).
5. Ensayo de dureza
Dureza es la resistencia que opone un material a la deformación permanente(plástica) en su superficie, es decir la resistencia que opone un material a serrayado o penetrado.
En los ensayos mecánicos se utiliza un penetrador o indentador sobre la superficiedel material, sobre el que se ejerce una carga conocida perpendicularmente a lasuperficie del material de ensayo. El penetrador tiene diferentes formas y según seasu forma, así será la huella que queda grabada en el material.
Según el tipo de materiales y su geometría se emplean entre otros los siguientes métodos deensayos de dureza, que veremos a continuación:
Brinell.Vickers.Rockwell.
Importante
5.1. Ensayo Brinell
El ensayo Brinell viene definido por la norma UNE 7-422-85.
En el ensayo Brinell el penetrador es una bola de acero templado (muy duro).
Imagen en Wikimedia Commons
de Frobles bajo CC
Imagen en Wikimedia Commons
de IGW bajo CC
La dureza Brinell (HB Hard Brinell), es la relación entre la carga aplicada y lasuperficie de la huella producida. En este ensayo dicha superficie tiene forma decasquete esférico.
siendo:
F: carga aplicada en kg.
Importante
Importante
Imagen elaboración propia
f: profundidad de la huella.
Como el área del casquete de la huella no esuna medida que podamos tomardirectamente debido a la medida de laprofundidad f, vamos a calcular dichaprofundidad a través de un triángulorectángulo.
Imagen elaboración propia
La dureza Brinell se expresa de la siguiente forma:
Imagen elaboración propia
Este ensayo tiene una serie de restricciones:
No es recomendable para valores de dureza superiores a 500 HB si la bola del penetradorno es de carburo de wolframio.
Solo es adecuado para materiales de espesor grueso, ya que las huellas que se obtienen sonnítidas y de contornos bien delimitados. Si se aplica a materiales de espesores pequeños sedeforma el material y los resultados obtenidos son erróneos. En estos casos se deberádisminuir la carga aplicada, con lo que las huellas serán menos profundas y el diámetro delpenetrador, para que el diámetro de la huella quede comprendido entre D/4 y D/2.
No es recomendable para piezas cilíndricas y esféricas.Cuando la deformación es pequeña, se cometen errores significativos al medir el diámetro
de la huella.Al variar la carga, es necesario sustituir el penetrador.En este ensayo la carga a aplicar depende del material a ensayar y del cuadrado del
diámetro de la bola del penetrador.El tiempo de aplicación de la carga es función de la dureza del material a ensayar, oscilando
entre 10 segundos y 3 minutos; a mayor dureza, menor tiempo de aplicación.
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Recordamos el ensayo Brinell.
La dureza se determina en función de la profundidad de la huella.
Es aplicable a materiales de dureza extrema.
Es aplicable a materiales de espesores pequeños.
En un ensayo de dureza Brinell se aplica una carga de 3000 kp al penetrador, cuyodiámetro es de 10 mm. Si el diámetro de la huella es de 5 mm, determina:
a. Dureza del material.b. ¿Se obtendría el mismo valor de dureza si la carga fuese de 750 kp y eldiámetro de la bola fuese de 750 kp?
AV - Pregunta Verdadero-Falso
5.2. Ensayo Vickers
El ensayo Vickers viene definido por la norma UNE 7-423-84.
En el ensayo Vickers el penetrador es una pirámide de base cuadrada, cuyascaras opuestas forman un ángulo de 136º.
Imagen en Wikimedia Commons de Blastwave bajo CC
La dureza Vickers (HV HardVickers), se calcula de formasimilar a como lo hacíamos en elensayo Brinell. En este caso ladureza es función de la superficielateral de la huella y de la cargaaplicada.
siendo:
F: carga aplicada en kg.d: diagonal de la huella en
mm.l: arista del cuadrado de la
Importante
Importante
que forman la huella.
Igual que sucedía en Brinell, como la superficie lateral de la huella no es unamedida que podamos tomar directamente. Dicha superficie tiene ahora forma de triángulo, y sería la suma de los cuatro triángulos que ha dejado impreso elpenetrador en forma de pirámide. El resultado final de la dureza Vickers será:
La dureza Vickers se expresa de la siguiente forma:
Imagen elaboración propia
El ensayo Vickers tiene una serie de ventajas sobre el Brinell:
Se puede emplear con piezas de espesores muy reducidos (hasta 0,2 mm).Puede medir dureza superficial aunque la huella sea poco profunda.Se puede utilizar en superficies cilíndricas o esféricas.Se puede utilizar indistintamente con materiales muy duros, o con materiales blandos.No es necesario sustituir el penetrador al variar la carga (el valor de la dureza es
prácticamente independiente del valor de la carga).Los ensayos Brinell y Vickers, dan resultados parecidos hasta un valor de 300; a partir de
aquí la dureza Vickers es superior a la Brinell, ya que la deformación de la bola falsea losresultados.
Otras características:
Se aplican cargas menores que en el ensayo Brinell (oscilan entre 1 y 120 Kp), siendo lacarga de 30 Kp la más empleada.
El tiempo de aplicación varía entre 10 y 30 segundos, siendo 15 segundos lo más habitual.
Verdadero Falso
Verdadero Falso
La única diferencia entre el ensayo Vickers y el Brinnel es el penetradorutilizado.
La dureza Vickers solo depende del área lateral de la huella realizada.
AV - Pregunta Verdadero-Falso
Verdadero Falso
Determina la dureza de un material que se ha sometido a un ensayo Vickers, en elque, con una carga aplicada de 120 kp, se ha producido una huella de 0,5 mm dediagonal.
5.3. Ensayo Rockwell
El ensayo Rockwell viene determinado por la norma UNE 7-424-89. Se puedeutilizar indistintamente con materiales muy duros, o con materiales blandos.
Imagen en Wikimedia Commons
de Zoological bajo CC
Para materiales blandos (con durezas menores que 200) el penetrador es una bolade acero de diámetro 1.5875 mm, y la dureza determinada será una durezaRockwell B (HRB).
Para materiales duros (con durezas mayores que 200) el penetrador es un cono dediamante de 120º en la punta, y la dureza determinada será una dureza RockwellC (HRC).
El ensayo Rockwell es un ensayo rápido y fácil de realizar pero menos preciso quelos anteriores, en el que la dureza se obtiene en función de la profundidad de lahuella y no de la superficie como en el Brinell y el Vickers.
Para realizar este ensayo se siguen los siguientes pasos:
1. Se aplica una carga de 10 kg al penetrador (bola o cono), provocando unapequeña huella en la superficie del material a ensayar; se mide la profundidadde esta huella, h1, y se toma como referencia, colocando a cero el comparadorde la máquina.
Importante
Importante
segundos; a continuación se mide la profundidad de la huella producida, h2.3. Se retira la carga, con lo que el material trata de recuperar su posicióninicial quedando una huella permanente de una profundidad h1+e.
Imagen elaboración propia
La dureza RocKwell no se expresa directamente en unidades de penetración, sinocomo diferencia de dos números de referencia:
HRC = 100 – e
HRB = 130 - e
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Verdadero Falso
La diferencia entre HRB y HRC es el diámetro del penetrador.
La dureza Rockwell viene dada por la profundidad de la huella una vez quehemos eliminado la carga.
La dureza Rockwell mide la deformación plástica que se produce en elensayo.
AV - Pregunta Verdadero-Falso
6. Ensayo de resiliencia o de choque
El ensayo de resiliencia es un ensayo destructivo, que consiste en romper unaprobeta del material a ensayar golpeándola con un péndulo. Para facilitar la roturade la probeta, se realiza una hendidura o entalladura en la probeta. El ensayoRockwell viene determinado por la norma UNE 14556.
El objetivo del ensayo es conocer la energía que puede soportar un material alrecibir un choque o impacto sin llegar a romperse.
Para realizar este ensayo se utiliza el péndulo Charpy, que consta de un brazo giratorio con unamaza en su extremo, que se hace incidir sobre la probeta provocando su rotura.
El péndulo, de masa m, se encuentra a una altura inicial H, por lo que tiene una determinadaenergía potencial antes de iniciar el ensayo (E0=m.g.H).Cuando se inicia el ensayo, se libera el péndulo que, tras golpear la probeta y romperla, continuacon su giro, alcanzando una altura final h, por lo que tendrá una nueva energía potencial(EF=m.g.h).
La energía que ha absorbido la probeta durante su rotura será la diferencia de energíaspotenciales inicial y final.Si la probeta no se rompe y el péndulo se detiene al chocar sobre ésta, es necesario aumentar laenergía potencial inicial del péndulo: o bien aumentando la masa, o bien aumentando la alturainicial.
Imagen en Wikimedia Commons
de Dumontierc bajo CC
Imagen en Wikimedia Commons
de Romary bajo CC
Importante
La resiliencia se obtiene con la siguiente expresión y se expresa en en J/cm2.
Cuanto más frágil sea el material y menor su tenacidad, menos resiliencia presentará.
Materiales muy dúctiles y tenaces absorben grandes cantidades de energía de choque.
Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composición química delmaterial.
Con este sencillo video te puedes hacer una idea de cómo transcurre un ensayo Charpy.
Una probeta de sección cuadrada de 10 mm de lado con una entalla de 2 mm en elcentro de sus caras se somete a un ensayo de resiliencia con un péndulo de 20 kgfque cae desde 90 cm, y que, tras la rotura, alcanza 70 cm.
Determinar:
Imagen elaboración propia
7. Apéndice
7.1. Curiosidades
¿Qué pesa más, un kilo de hierro o un kilo de paja?
¿Cuántas veces nos han hecho esta pregunta?
¿Y cuántas veces nos hemos equivocado?
Todos sabemos que pesan igual, pero...
Lo que sucede es que tienen un peso específico muy diferente (la misma masaocupa volúmenes muy distintos), y si contestamos sin pensar... podemos llegar adecirlo mal.
El agua, en lo que a la dilatación se refiere, no sigue la conducta de los demáscuerpos. En este enlace tienes una pequeña explicación de cuál es el motivo y depor qué es providencial para la vida marina en las zonas árticas.
Fíjate que el lenguaje cotidiano no se corresponde muchas veces con el lenguajetécnico.
Nosotros solemos decir que el cristal, como se rompe muy fácilmente, es poco duro.Pero técnicamente eso no es correcto; el cristal es duro, porque no se raya confacilidad. Por romperse con facilidad es frágil.
Curiosidad
Curiosidad
Curiosidad
Un puente está sometido a fatiga porque, cuando un coche pasa por él, estásometido a una carga, y cuando no pasa, no. De esta forma el puente está sometidoa un esfuerzo de una forma continua y repetida. Cuando el material del puentesobrepasa el límite de fatiga, falla de una forma casi instantánea.
Cualquier aspecto de un ensayo tecnológico está normalizado.
Las normas UNE recogen desde la forma y dimensiones de la probeta, hasta losrangos de las cargas aplicadas.
Por ejemplo, en el caso de un ensayo a tracción, la norma UNE 7282 nos determinacómo debe realizarse la preparación de las probetas, la UNE 7262-73 las toleranciasen su mecanizado y la UNE 7010 sus dimensiones.
Escala de Mohs
En geología se utiliza la escala de Mohs, que consiste en una tabla de diezminerales, donde cada miembro es más duro que los que están delante de él en laescala y más blando que los que están detrás.
Con ellos se mide la resistencia al rayado de los materiales, de modo que cuandodeseamos saber la dureza de un mineral se va probando si es rayado por loselementos consecutivos de la escala Mohs, hasta que el mineral es rayado por uno,por lo que su dureza estará comprendida entre la del último elemento que noconsiguió rayar el mineral y el primero que lo hizo.
Dureza Mineral Composiciónquímica
1 Talco, (se puede rayar fácilmente con la uña) Mg3Si4O10(OH)2
2 Yeso, (se puede rayar con la uña con másdificultad)
CaSO4·2H2O
3 Calcita, (se puede rayar con una moneda de cobre) CaCO3
4 Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo) CaF2
5 Apatita, (se puede rayar difícilmente con uncuchillo)
Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F)
Curiosidad
Curiosidad
7 Cuarzo, (raya el vidrio) SiO2
8 Topacio Al2SiO4(OH-,F-)2
9 Corindón, (sólo es rayado por el diamante) Al2O3
10 Diamante, (el mineral natural más duro) C
En este vídeo puedes ver cómo se realiza un ensayo Rockwell.
Se trata de una práctica en un instituto, así que nos van explicando detalladamentecómo se debe hacer.
Curiosidad
7.2. Para saber más
En esta página tienes la información de cómo se desarrolla un ensayo de tracción(fíjate que hay tres partes).
En ella aparece de forma esquemática la máquina de ensayos, las probetasutilizadas, y la gráfica obtenida para interpretar los resultados del ensayo.
No hace falta que te pares mucho en las expresiones matemáticas, porque eso lotrabajarás el curso que viene.
http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/materials3.html
Aquí te explican cómo se desarrolla un ensayo de resiliencia. Verás también cómoson las probetas utilizadas.
http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/materials6-1.html
Aquí tienes una explicación clara de los ensayos de dureza.
Están perfectamente explicados los distintos penetradores usados en el ensayo, quees lo que lo caracteriza.
http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/materials6-2.html
Para saber más
Para saber más
Para saber más
Estricción
Una vez aplicada la carga máxima a la probeta, se produce un estrangulamiento ensu zona central. A la variación de la sección de la probeta respecto a su seccióninicial se le denomina estricción ψ.
Imagen en Wikimedia Commonsde Wizard191 bajo CC
Esta disminución de la sección de la probeta provoca que la tensión de rotura seainferior a la máxima aplicada y esta diferencia entre la tensión de rotura y laaplicada es tanto más apreciable cuanto mayor es la ductilidad del material.
También se expresa en %, por lo que la estricción se define como la disminuciónrelativa porcentual de la sección transversal de la probeta en el momento de larotura.
A continuación tienes un vídeo tutorial, sobre el ensayo de tracción,procedente del catálogo de la Universidad Politécnica de Valencia.
Objetivos
En esta dirección encontrarás un glosario en inglés en el que aparecen todos lostérminos relativos a la resistencia de los materiales: ensayos, deformaciones, etc.Este glosario te puede aclarar algún concepto que no te haya quedado losuficientemente claro.
http://www.instron.com.es/wa/resourcecenter/glossary.aspx
Si deseas la traducción desde Google, mira el siguiente enlace.
Coeficiente de seguridad (n)
Para garantizar que un material va a trabajar en la zona elástica, se aplica uncoeficiente de seguridad, de modo que la tensión de trabajo σt siempre debe serinferior a la tensión del límite elástico σE.
Se calcula según la fórmula:
Para saber más
Para saber más
A continuación tienes un vídeo tutorial, sobre el ensayo de dureza, procedentedel catálogo de la Universidad Politécnica de Valencia.
En este video vas a ver cómo se realiza un ensayo Vickers, pero totalmenteinformatizado.
A partir de un ordenador transmitimos la orden de aplicar la carga correspondiente,y también en una pantalla vemos la huella realizada y desde allí mismo podremosmedirla.
Objetivos
Para saber más
A continuación tienes un vídeo tutorial, sobre el ensayo de resiliencia oimpacto, procedente del catálogo de la Universidad Politécnica de Valencia.
Objetivos
