Tema nº 29: propiedades de los materiales



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BLOQUE TEMÁTICO Nº 1: MATERIALES

TEMA Nº 2: PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. TÉCNICAS DE MEDIDA Y ENSAYO DE PROPIEDADES.

Y ENSAYO DE PROPIEDADES





1. Introducción: para elegir el material más adecuado para una determinada aplicación, es necesario conocer las propiedades del mismo. Las más importantes a la hora de decantarse por la elección de uno u otro material son la plasticidad, la cohesión y la elasticidad, todas ellas propiedades mecánicas. Por eso en nuestro estudio de las propiedades de los materiales, daremos más importancia a estas últimas. Estudiaremos también una serie de propiedades generales como la densidad, las propiedades térmicas y eléctricas.

Para poder valorar las propiedades es necesario realizar ensayos. Así la propiedad de la cohesión se valora mediante ensayos de dureza y la elasticidad y plasticidad gracias al ensayo de tracción.

Por eso en este tema estudiaremos las propiedades de los materiales y las técnicas de ensayo y medida de las mismas.
2. Propiedades de los materiales: las propiedades de los materiales se clasifican en propiedades físicas, químicas y tecnológicas. D Dentro de las propiedades físicas se estudian las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas, además de otras propiedades como la densidad.

Las propiedades químicas más representativas son la resistencia a la oxidación y a la corrosión.

Las propiedades tecnológicas más comunes son la soldabilidad y la fusibilidad.

De todas ellas centraremos nuestro estudio principalmente en las propiedades mecánicas que son las más interesantes a la hora de ser evaluadas mediante ensayos.



2.1. Mecánicas: las propiedades mecánicas son las que determinan el comportamiento de los materiales cuando son sometidos a fuerzas externas. A continuación estudiamos algunas de esas propiedades.


  • Cohesión: se define como la resistencia que oponen las moléculas de los materiales a separarse unas de otras.




  • Maleabilidad y ductibilidad: la maleabilidad es la capacidad de los materiales de deformarse plásticamente frente a esfuerzos de compresión; mientras que la ductibilidad es la capacidad de los materiales de deformarse plásticamente frente a esfuerzos de tracción.




  • Dureza: se define como la resistencia que opone un cuerpo a ser rayado o penetrado por otro. Esta propiedad asociada a la cohesión se valora mediante ensayos de dureza tanto al rayado como a la penetración.




  • Elasticidad y plasticidad: la elasticidad se define como la capacidad de un material de recobrar su forma primitiva cuando cesa la causa que lo deformo, mientras que la plasticidad es la capacidad de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones permanentes sin llegar a romperse. La elasticidad y la plasticidad se pueden valorar mediante el ensayo de tracción.




  • Tenacidad y fragilidad: La fragilidad es la propiedad contraria a la tenacidad. Decimos que un material es frágil si su rotura se produce repentinamente y sin previa deformación; y decimos que un material es tenaz si la rotura se produce después de una deformación plástica. Mediante el ensayo de tracción, observando la curva característica del ensayo, podemos diferencias si un material es frágil o tenaz. La mayor o menor fragilidad de los materiales la podemos valorar mediante el ensayo de choque o de resilencia.




  • Fatiga: se define como la resistencia a la rotura de un material sometido a esfuerzos variables tanto en magnitud como en sentido. Esta propiedad se valora mediante el ensayo de fatiga.




  • Resilencia: se define como la capacidad de un material de absorber energía en la zona elástica al someterlo a un esfuerzo de rotura. Esta propiedad se valora mediante el ensayo por choque o de resilencia.




  • Resistencia mecánica: se define cono la capacidad de un material para soportar una carga externa.


2.2. Propiedades generales: en este apartado vamos a estudiar las propiedades térmicas – conductividad térmica, dilatación térmica, capacidad calorífica y calor específico -, las propiedades eléctricas – conductividad eléctrica -, y la densidad.


  • Densidad: se define como la relación entre la masa y el volumen. A la hora de escoger un material para una determinada aplicación es una propiedad muy importante.




  • Conductividad eléctrica: representa la capacidad de los materiales para conducir la electricidad. Por lo general los metales son buenos conductores de la electricidad, mientras que los plásticos son aislantes. Por eso nunca fabricaríamos un enchufe únicamente de metal.




  • Dilatación térmica: esta propiedad pone de manifiesto que al aumentar la temperatura los materiales aumentan su volumen, y al disminuir lo reducen.




  • Conductividad térmica: representa la capacidad de los cuerpos para transmitir el calor. Por lo general los plásticos son malos conductores del calor, por eso las asas de una pota son de plástico.


3. Técnicas de medida y ensayo de propiedades: los ensayos son procedimientos normalizados con los que miden las propiedades de los materiales. Estos intentan simular las condiciones de trabajo para determinar la idoneidad del material o pieza en cuestión. Debido a la diversidad de propiedades y a las diferentes formas de determinarlas, es necesario realizar una clasificación de los ensayos.
3.1. Clasificación de los ensayos: los ensayos se pueden clasificar en:

Según la rigurosidad del ensayo



  • Ensayos científicos: son ensayos que se realizan en laboratorios especializados y nos permiten obtener valores precisos y reproducibles de las propiedades ensayadas, ya que las condiciones a las que se somete el material están convenientemente normalizadas.

  • Ensayos tecnológicos: se hacen en fábrica e indican calidades de material.

Según la naturaleza del ensayo:

  • Ensayos químicos: permiten conocer la composición cualitativa y cuantitativa del material, así como la naturaleza del enlace químico o la estabilidad del material ante la presencia de compuestos corrosivos.

  • Ensayos metalográficos: con el uso del microscopio nos permiten conocer la estructura interna del material.

  • Ensayos físicos: tienen por objeto cuantificar ciertas propiedades físicas como la densidad, la conductividad térmica y eléctrica.

  • Ensayos mecánicos: con ellos se determina la resistencia del material a ciertos esfuerzos. Los ensayos de este tipo más importantes son: dureza, fatiga, choque, tracción, etc.

Según la utilidad de la pieza después de ser sometida al ensayo:

  • Ensayos destructivos: son aquellos en los que se producen daño o rotura de la pieza sometida al ensayo.

  • No destructivos: se analizan los defectos del material mediante métodos de observación directa empleando rayos X, ultrasonidos, campos magnéticos, microscopios, etc.

Según la velocidad de aplicación de los esfuerzos:

  • Ensayos estáticos: son aquellos en los que la velocidad de aplicación de la fuerza no influye en el resultado. Un ejemplo de este tipo es el ensayo de tracción.

  • Ensayos dinámicos: en ellos, la velocidad de aplicación de las fuerzas forma un papel importante en el ensayo. Un ejemplo es el ensayo de dureza al rayado.


3.2. Ensayos mecánicos

3.2.1. Ensayos de dureza: entre los ensayos de dureza se distingue los ensayos de dureza al rayado que son dinámicos, y los ensayos de dureza a la penetración que son estáticos. A continuación se estudian ambos.

3.2.1.1. Ensayos de dureza al rayado (dinámicos): el más conocido es el método Martens que consiste en medir el surco que deja una punta de diamante en forma piramidal con dimensiones normalizadas a la que aplicamos una carga constante y que se desplaza sobre la superficie del metal.

3.2.1.2. Ensayos de dureza a la penetración (estáticos): se trata de averiguar la dureza de un material por la huella que deja un penetrador al que le aplicamos un peso constante, el cual se empuja contra la superficie del material cuya dureza se quiere determinar, con una fuerza determinada, durante un tiempo fijo. La velocidad de aplicación de la carga debe ser lenta para que no ejerza influencia en la medida.

El valor de la dureza se obtiene dividiendo la fuerza aplicada al penetrador “F” entre la superficie de la huella que esté deja sobre el material, la cual, para una misma fuerza de empuje, será tanto menor cuando mayor sea la dureza correspondiente. Los más empleados para los metales son:



  • El método Brinell (HB) (UNE 7-422-85).

  • El método Vickers (HV) (UNE 7-423-84).

  • El método Rockwell (HRC o HRB) (UNE 7-424-89).

En los dos primeros la dureza se determina en función de la superficie de la huella, mientras que para determinar la dureza por el método Rockwell lo que nos interesa es la profundidad de la huella.


Método Brinell: emplea como penetrador una bola de acero templado. Al comprimir la bola contra la superficie del material, con una carga determinada, se produce una huella en forma de casquete esférico. A continuación se representa un esquema gráfico del ensayo. La dureza Brinell queda determinada por:

Expresión normalizada:

110 HB 5 250 30



  • 110: Nº de dureza.

  • HB: Dureza Brinell.

  • 5: Diámetro de la bola.

  • 250: Carga.

  • 30: Tiempo de ensayo.









Donde D es el diámetro del penetrador en mm, f la profundidad de la huella en mm, d el diámetro de la huella en mm, F la carga en Kgf, K una constante de proporcionalidad y HB la dureza Brinell en Kgf/mm2.

Un inconveniente de este método es que no permite medir la dureza de los aceros templados porque se deforma el penetrador. Además si aplicamos el ensayo para espesores menores que el diámetro de la bola, se deforma el material y el resultado es erróneo, luego como norma general el diámetro de la huella estará comprendido entre:



Si tomamos su valor medio, tenemos que:



No debe usarse para medir la dureza sobre superficies curvas.



Método Vickers: este método se emplea para durezas superiores a 400HB. El método es igual al caso anterior, con la salvedad de que el penetrador es una pirámide regular de base cuadrada cuyas caras forman un ángulo de 136º. A continuación se incluye un esquema gráfico del ensayo. La dureza Vickers queda determinada por la siguiente expresión:






Expresión normalizada:
720 HV 30

  • 720: Nº de dureza.

  • HV: Dureza Vickers.

  • 30: Fuerza 30 Kgf.



Donde d es la diagonal de la huella en mm, F la carga en Kgf, y HV la dureza Vickers en Kgf/mm2.


Método Rockwell: el penetrador empleado depende del material a ensayar; para los materiales blandos empleamos una bola de acero y para los duros un cono de diamante de 120º de ángulo, denominándose el ensayo según el penetrador HRB y HRC. A continuación se representa un esquema gráfico del ensayo.

Forma de realizar el ensayo:


1º Se aplica una precarga durante un tiempo determinado. La profundidad de la huella vale ho.

2º Después en función de la dureza del material se añade la carga adicional. La profundidad de la huella alcanza el valor h1.

3º Al retirar la carga adicional, el penetrador retrocede por recuperación elástica del material. La huella adquiere una profundidad e=h1-ho. La dureza Rockwell queda determinada por:

HRC = 100 – e; y HRB = 130 – e.



Como se puede observar en las expresiones anteriores la dureza Rockwell no se expresa directamente en unidades de penetración, sino por valor de diferencia respecto a dos números de referencia; esto es debido a que la dureza de los materiales blandos es menor que la de los duros, y esto no sucede así si lo expresamos en unidades e. Una unidad Rockwell se corresponde a una penetración de 0.002mm; por lo tanto las expresiones anteriores quedarían de la siguiente forma:

En el siguiente cuadro se resumen las características más importantes de cada ensayo:



ENSAYO

PENETRADOR

ESQUEMA GRÁFICO

FÓRMULA

PARÁMETROS

Brinell (HB) (UNE 7-422-85).

110 HB 5 250 30

110 : Nº de dureza.

HB : Dureza Brinell.

5 : Diámetro de la bola en mm.

250: carga en kg.

30: tiempo del ensayo.

Consiste en comprimir el penetrador contra el material, por medio de una carga y durante un tiempo determinado.




Bola de acero templado.


D

d

f





D: diámetro del penetrador en mm.

F: profundidad de la huella en mm.

d: diámetro de la huella en mm.

F: carga en Kgf.

K: constante de proporcionalidad.

HB: dureza Brinell en Kgf/mm2.




Vickers (HV) (UNE 7-423-84).

720 : Nº de dureza.

HV : Dureza Vickers.

30: Fuerza en Kg.

Consiste en comprimir el penetrador contra el material, por medio de una carga y durante un tiempo determinado.


El penetrador es un diamante tallado en forma de pirámide regular de base cuadrad, cuyas caras laterales forman un ángulo de 136º.






d: diagonal de la huella en mm.

F: carga en Kgf.

HV: dureza Vickers en Kgf/mm2.



Rockwell (HRC o HRB)

(UNE 7-424-89).

1º se aplica la carga de 10 Kg que provoca una huella de profundidad ho.

2º se aplica una carga adicional de 60, 100 o 150 kg según el material, que provoca una huella de profundidad h1.

3º se retira la carga adicional. El material se recupera elásticamente, la profundidad de la huella es ahora “e”.


HRB: Bola de acero para los materiales blandos.

HRC: cono de diamante de 120º para los materiales duros.






ho: profundidad de la huella con la carga inicial en mm.

h1: profundidad de la huella con la carga adicional en mm.

e: profundidad de la huella en mm.


3
σ (MPa)

DIAGRAMA TENSIÓN DEFORMACIÓN

CON ZONA DE FLUENCIA:

Muchos metales no presentan transición gradual entre las zonas de comportamiento elástico y plástico, sino que una vez superado el límite de la zona elástica existe una zona de fluencia en la que la probeta experimenta una deformación plástica considerable bajo una tensión fluctuante.

εx10-4


50

100

150

200

250

10

20

30

40

P

E

F

R

U

U

R
.2.2. Ensayo de tracción:
una probeta con formas y dimensiones normalizadas según el material, es sometida a un esfuerzo de tracción “F” en la dirección de su eje por una máquina que registra el esfuerzo aplicado y el alargamiento producido por la probeta hasta que esta se rompe. Para que el resultado del ensayo dependa lo menos posible de las dimensiones de la probeta y que por tanto resulten comparables los ensayos realizados con probetas distintas, se utiliza el diagrama tensión-deformación.

Diagrama tensión-deformación: en el eje de abcisas representamos el alargamiento unitario que es en un instante del ensayo el cociente entre el alargamiento experimentado y su longitud inicial; y en el eje de ordenadas la tensión en N/m2 que es el cociente entre la fuerza y el área de la probeta.

A continuación vamos a identificar los puntos significativos del diagrama, indicando su significado y sus fases.


Puntos significativos (Resultados):

El punto P corresponde al límite de proporcionalidad “σP”, a partir de este punto la tensión deja de ser proporcional a la deformación.

El punto E corresponde al límite elástico “σE”, a partir del cual el material deja de comportarse elásticamente adquiriendo deformaciones permanentes.

El punto F corresponde a la tensión de fluencia “σF”, la fluencia no se da en todos los materiales y consiste en un aumento claro de la deformación sin apenas esfuerzo.

El punto R corresponde al límite de rotura o resistencia a la tracción “σR”, y es la máxima tensión que aguanta el material sin romperse.

El punto U corresponde al limite de estricción “σU”, a partir de este punto se hace efectiva la rotura de la probeta.



Zonas significativas:

Zona elástica (OE): el material presenta un comportamiento elástico, se distinguen dos zonas distintas:

Zona elástica proporcional (OP), donde la tensión es proporcional a la deformación, a esta constante de proporcionalidad se la denomina módulo de Young, y se representa por la letra E. Se mide en N/m2. Matemáticamente se expresa así:

Donde ε es la deformación unitaria o alargamiento unitario, el alargamiento, lo la longitud inicial de la probeta y l la longitud final de la misma.



Zona elástica no proporcional (PE), en ella las deformaciones no son proporcionales a los esfuerzos.

Zona Plástica (EU): el material presenta un comportamiento plástico. En este tramo se producen deformaciones permanentes.

Zona de deformación plástica (ER): la probeta se deforma hasta un máximo que determina la tensión de rotura.

Zona de deformación plástica localizada: el alargamiento aumenta aunque se disminuya el esfuerza, comienza a formarse el cuello de botella, en el punto U se produce la rotura efectiva.


Tensiones máximas de trabajo. El ingeniero mecánico, a la hora de diseñar una pieza o elemento de una estructura deberá asegurarse de que esta no trabaje en zonas de deformación plástica y de que no este sobredimensionada. Para solucionarlo por norma se establece una tensión máxima de trabajo o tensión admisible que resulta de dividir la correspondiente tensión por un número “n” al que llamaremos coeficiente de seguridad.


3.2.3. Ensayos de resistencia al impacto: en estos ensayos las cargas aplicadas actúan instantáneamente para medir la resistencia al choque o la tenacidad de los materiales. Los ensayos de resistencia al impacto pueden ser de dos tipos:

Tracción por choque: consisten en realizar un ensayo de tracción en el que la velocidad de aplicación de la fuerza sea alta. Este tipo de ensayos es poco frecuente.

Flexión por choque: el más usado es el ensayo de resilencia más conocido como ensayo de Charpy. En este ensayo se usa una probeta de sección cuadrada provista de una entalladura en forma de U o V que es sometida a una carga de ruptura por el lado opuesto a la entalla, por medio de un martillo que se desplaza en una trayectoria circular.

La energía absorbida por la ruptura se llama resilencia (KCV o KCU), según sea la forma de la entalla, se calcula dividiendo la energía consumida por el material (Ep) en la rotura entre la sección de la probeta por su parte entallada (Ao) y se mide en J/m2. A continuación se representa un esquema gráfico del ensayo.




Ep = energía potencial absorbida en la rotura en Julios.

m = masa del martillo en Kg.

h1= altura desde la que cae el martillo en m.

h2= altura que alcanza el martillo después de romper la probeta en m.

Ρ= resilencia en j/m2.

Ao= sección de la probeta por la parte de la entalladura en m2.
3.3. Ensayos tecnológicos: Vamos a estudiar el ensayo de plegado y el de embutición.

3.3.1. Ensayo de plegado. para estudiar las características de plasticidad de los metales. Para ello se doblan las probetas en condiciones normalizadas y se observa si aparecen grietas en la parte exterior de la curva.

3.3.2 Ensayo de embutición: sirve para ver la aptitud de una chapa para darle forma con un punzón. El ensayo consiste en presionar una barra sobre la chapa hasta que aparezca la primera grieta. El grado de embutición se comprueba midiendo la penetración hasta que se produzca esa primera grieta.
3.4. Ensayos de defectos o no destructivos: los principales son los ensayos magnéticos, por rayos X, ultrasonidos y eléctricos.
3.4.1. Ensayos magnéticos: se efectúan empleando polvo de hierro sobre el objeto a examinar. Los defectos en la estructura del material producen perturbaciones en el campo magnético exterior que producen irregularidades en la distribución del polvo de hierro. Este ensayo solo sirve para materiales ferromagnéticos y para defectos superficiales.

3.4.2. Ensayos eléctricos: el más interesante es la variación de la resistencia de un material cuando en él se encuentra un defecto superficial.
3.5. Ensayos de fatiga: Cuando determinadas piezas están sometidas a esfuerzos variables en magnitud y sentido que se repiten con cierta frecuencia, se pueden romper con cargas inferiores a las de rotura, trabajando incluso por debajo del límite elástico siempre que actúen durante un tiempo suficiente. A este fenómeno se le conoce con el nombre de fatiga. Los ensayos de fatiga más habituales son los de flexión rotativa y torsión.

Las piezas metálicas pueden romperse bajo esfuerzos unitarios inferiores a su carga de rotura, e incluso a su límite elástico, si el esfuerzo se repite un número suficiente de veces.

Para que la rotura no tenga lugar, con independencia del numero de ciclos, es necesario que la diferencia entre la carga máxima y mínima sea inferior al límite de fatiga.


DIRECCIONES WEBS RECOMENDADAS







En el video se puede observar como la probeta de acero de bajo carbono se rompe debido a la carga aplicada



PARA SABER MÁS





Presentación en Powerpoint de Materiales. Propiedades mecánicas y ensayos



PROBLEMAS

1. El diagrama de la figura representa el resultado del ensayo de una barra cilíndrica de 300mm de longitud y 45 mm de diámetro. Se pide:

  1. Tipo de ensayo a que corresponde.

  2. Identificar puntos significativos del diagrama, indicando su valor. Deberás acabar de rellenar la tabla proporcionada.

  3. D
    εx10-4

    40
    eterminar el módulo de elasticidad

  4. La máxima fuerza que puede soportar sin romperse.




Punto

Tensión

Valor (MPa)

P







E







R







U








2. En un ensayo de dureza Rockwell B, la profundidad h1 cuando se aplica la precarga es 0.01mm y la profundidad h3 cuando se mantiene la precarga después de haber aplicado la totalidad de la carga es 0.144mm. se pide:

  1. Esquema del ensayo.

  2. Dureza del material expresada en unidades Rockwell.


3. A una probeta de sección cuadrada de 10mm de lado y 2mm de entalla en el centro de una de sus caras, se le somete a un ensayo con el péndulo de Charpa, con un martillo de 20Kgf, cayendo desde una altura de 90cm y recuperando, tras la rotura, la altura de 70cm. Se pide:

a) Esquema del ensayo.

b) Energía absorbida por la probeta.

c) Resilencia del material.


4. Reescribe correctamente las siguientes sentencias en el caso de que sean falsas:

  1. El valor de La dureza en un ensayo al rayado Rockwell depende de la superficie de la huella dejada por el penetrador.

  2. En el ensayo de dureza Brinell se emplea como penetrador un cono de diamante.

  3. El ensayo de tracción es un ensayo dinámico.

  4. El ensayo Brinell tiene como ventaja con respecto al ensayo Vickers que se puede usar en superficies curvas y que además siempre usa el mismo penetrador, siendo este independiente de la carga empleada.


5. Para un metal que cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo se pide:

  1. Dibujo de la celdilla elemental.

  2. Indice de coordinación.

  3. Nº de átomos de la celda unidad.

  4. El valor de la arista si el radio atómico vale 174.9pm.




6. La figura inferior representa un esquema de un ensayo de dureza Brinell. Se ha aplicado una carga de 3000Kp. El diámetro de la bola del penetrador es de 10mm. El diámetro de la huella obtenido es de 4.5 mm. Se pide:

  1. El valor de la dureza Brinell y su expresión normalizada.

  2. Indicar la carga que habrá que aplicar a una probeta del mismo material si se quiere reducir la dimensión de la bola del penetrador a 5mm. Predecir el tamaño de la huella.



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