Comportamiento mecánico de materiales: tenacidad y propiedades

Introducción al comportamiento mecánico de los materiales

Tema 2. Comportamiento mecánico de materiales Formas, Materiales y Técnicas Grado en Diseño Integral y Gestión de la Imagen Universidad Rey Juan Carlos

Índice

1. Introducción al comportamiento mecánico de los materiales
2. Concepto de tensión y deformación
3. Comportamiento elástico y plástico
4. Comportamiento dúctil y frágil
5. El ensayo de tracción
6. Dureza
7. Tenacidad
8. Viscoelasticidad
9. Memoria de forma

Comportamiento mecánico de los materiales

· El comportamiento mecánico es la respuesta que tiene el material frente a unas fuerzas aplicadas sobre el. · La respuesta viene dada por una deformación del material. 4 盗 版 必 卡 O 11 12 13 1 D Propiedades que asociamos al comportamiento mecánico: · Plasticidad · Elasticidad · Flexibilidad (o rigidez) · Ductilidad · Dureza

Átomos y fuerzas

Átomos cuando F es de tracción Átomos cuando F=0 Átomos cuando F es de compresión

Deformación y rotura

· Según la fuerza que se esté aplicando y las propiedades del material, el material volverá a su forma original, se deformará permanentemente o incluso se romperá FORNEY LP

Medición de propiedades mecánicas

· Hemos de ser capaces de definir y medir ciertas propiedades para poder comparar materiales y tomar decisiones · Necesitamos hacer ensayos para medirlas · Las propiedades mecánicas afectan a cómo podemos fabricar un material y a cómo se comportará en servicio. · Fabricación: nos interesa que el material se pueda deformar sin romperse y que la fuerza empleada sea baja · En servicio: normalmente queremos que el material no se rompa o se deforme permanentemente bajo las fuerzas típicas

Tipos de esfuerzos

En función del tipo de esfuerzo (cómo se aplica la fuerza en una geometría), la reacción del material será distinta Esfuerzo de tracción Tiende a alargar el material Esfuerzo de compresión Tiende a comprimir el material Esfuerzo de torsión El material se retuerce

Esfuerzo de flexión

En función del tipo de esfuerzo (cómo se aplica la fuerza en una geometría), la reacción del material será distinta Esfuerzo de flexión El material se dobla o flexiona Zona que se estira Zona crítica (mayor tensión) Zona que se comprime

Esfuerzos en estructuras

¿A qué esfuerzos están sometidas las estructuras de las siguientes imágenes?

Identificación de esfuerzos

¿A qué esfuerzos están sometidas las estructuras de las siguientes imágenes?

Concepto de tensión y deformación

· El esfuerzo por sí solo no nos determina cómo responderá un material Dos gomas del mismo material que tienen el mismo diámetro, pero una tiene el doble de espesor Aplicamos una fuerza F F F La que tiene el doble de espesor se alarga la mitad que la otra F F Tensión: es una magnitud que representa la distribución de fuerza sobre un área 0 = : F A Normalmente el área es perpendicular a la fuerza Las propiedades del material y su respuesta dependen de la tensión

Propiedades del material y tamaño

· Las propiedades del material no dependen del tamaño de este Dos gomas de borrar de forma redonda tienen la misma área, pero una tiene la mitad de longitud F F F F Aplicamos una fuerza de compresión F (misma tensión) La que tiene el doble de longitud se alarga o comprime el doble Deformación: magnitud que indica cuánto cambia la longitud con respecto a la longitud inicial AL € = 1. Las propiedades del material y su respuesta dependen de la deformación

Tipos de tensión y deformación

Tensiones normales

Tensiones Normales: la tensión es aplicada perpendicular a la superficie Tracción 𝜎𝜎 0 𝜎𝜎 Generan deformaciones longitudinales positivas (alargamiento) Compresión σ 0 Generan deformaciones longitudinales negativas (estrechamiento)

Tensiones tangenciales o de corte

Tensiones Tangenciales o de corte: la tensión es aplicada sobre la superficie τ τ τ τ τ τ Generan deformaciones de cizalladura

Relación entre esfuerzos y tensión

Relación entre esfuerzos y tensión Esfuerzo de tracción Tensión uniforme de tracción F A Esfuerzo de compresión Tensión uniforme de compresión = = = A F Esfuerzo de torsión Tensión variable de cizalladura T

Esfuerzo de flexión y tensión

Relación entre esfuerzos y tensión Esfuerzo de flexión Zona crítica (mayor tensión) 0 = 3 . F . L 2 · a · e2 Tensiones de compresión Tensiones de tracción Zona crítica (mayor tensión) 0 = : 6 . F . L a · e2

Deformaciones

Deformaciones Longitudinales: alargamiento o contracción € = L AL ΔΙ L 1 Antes Después AL De cizalladura: Y = 1. ΔΙ L Antes Después

Ejercicio 1: Cálculo de tensión y deformación

Ejercicio 1: Sobre un cilindro de sección rectangular de 5 mm x 2 mm y altura de 100 mm se aplica una fuerza de 50 N como se ve en la imagen, paralela a su longitud. Debido al efecto de la fuerza, el cilindro se contrae 1 mm. · Calcula la tensión que se genera, en MPa. · ¿ Es la tensión de tracción o de compresión? · Calcula la deformación. F F

Ejercicio 2: Tensión máxima en una barra

Ejercicio 2: Tenemos una barra, de 25 cm de largo y de sección cuadrada de 1 cm x 1 cm, sujeta por los extremos, y le ponemos un peso en el centro de la barra, aplicando una fuerza de 100 N. · Calcula la tensión máxima que se genera, en MPa.

Esfuerzos y tensiones en materiales

Todos los materiales aguantan bien tensiones de compresión y de cizalladura, pero los cerámicos no soportan bien las tensiones de tracción. ¿Qué tipo de esfuerzos no van a ser capaces de soportar los cerámicos? De las siguientes situaciones identifica las que conllevarían un fallo del diseño: 大 渡 河 特 大 桥 攝 影 大 海

Comportamiento elástico y plástico

· Según el nivel de tensión aplicado, el material se va a deformar permanentemente (deformación plástica) o puede recuperar su forma original (deformación elástica) 0 · Los materiales suelen presentar comportamiento elástico hasta una tensión crítica, a partir de esa tensión el comportamiento es plástico

Deformación elástica

Deformación elástica σ Estado inicial σ Estado final Los átomos o moléculas se separan debido a la tensión de tracción. Cuando desaparece la tensión, vuelven a su posición inicial.

Módulo de Young y rigidez

Deformación elástica La mayoría de materiales tienen un comportamiento elástico lineal o = E · € E es el Módulo de Young y caracteriza la rigidez del material. A mayor E, más rígido (menos flexible). · La rigidez es la resistencia del material a ser deformado elásticamente. · Un material elástico es un material que se puede deformar mucho y luego recuperarla. 0 € Algunos materiales, como el caucho, su comportamiento elástico no es lineal

Ejercicio 1: Tensión y fuerza en deformación elástica

Deformación elástica Ejercicio 1: A un material, en forma de cilindro, con módulo de Young de 210 GPa se le aplica un esfuerzo de tracción que lo alarga elásticamente, consiguiendo una deformación de £=0,005. · ¿ Qué tensión se le ha tenido que aplicar? · Si la sección del material tiene un área de 5 cm2, ¿qué fuerza habrá que aplicar?

Ejercicio 2: Longitud final de una barra

Deformación elástica Ejercicio 2: Una barra cilíndrica de sección de 10 cm2 y longitud 100 cm, hecha de un material con módulo de Young de 5 GPa, se le aplica un esfuerzo de tracción de 50 N. Teniendo esto en cuenta: · ¿ Cuál es la longitud final del material cuando se aplica el esfuerzo?

Deformación plástica

Deformación plástica σ Estado inicial Estado final σ Al aumentar la tensión por encima de un valor crítico, unos átomos o moléculas se mueven con respecto a otros. Al desaparecer la tensión, mantienen las nuevas posiciones (deformación permanente).

Comportamiento dúctil y frágil

La ductilidad es la capacidad de un material de deformarse plásticamente antes de romperse. · A mayor ductilidad, mayor es la deformación máxima que se puede alcanzar Un material dúctil es capaz de deformarse plásticamente, un material frágil se rompe sin llegar a deformarse plásticamente. · Los materiales dúctiles pueden absorber más energía gracias a la deformación plástica. Los frágiles absorben muy poca energía. Formech INSIDER :h Materiales dúctiles Materiales frágiles

El ensayo de tracción

Necesitamos medir las propiedades de los materiales para tomar decisiones informadas mediante ensayos que impongan esfuerzos o deformaciones en el material de manera controlada El ensayo que nos permite ver la mayor cantidad de propiedades es el ensayo de tracción · Rigidez · Resistencia a rotura · Ductilidad · Tenacidad fracture 00 0 gauge section necked region

Proceso del ensayo de tracción

En este ensayo el material se fuerza a deformarse a una velocidad dada, mientras se registra tanto la deformación como la fuerza que se aplica, hasta que se rompe · La fuerza se transforma a tensión, o, y el aumento de longitud a deformación, ε M TS F Stress Strain (a) Metal +0 (c) Elastomer (b) Theromplastic materials at T > Tg 40 (d) Ceramics, glasses, concrete, and polymers at T < Tg 40

Región elástica en ensayo de tracción

Región elástica Unload Stress Slope = modulus of elasticity Load 0 0 Strain Las deformaciones son únicamente elásticas Reversible: si se elimina la tension, la deformación es cero La pendiente de la curva es el módulo de elasticidad o módulo de Young E = Δσ Δε Si el material presenta un comportamiento lineal la pendiente es constante (ley de Hooke): o = E · € Si el material no tiene un comportamiento lineal (polímeros, fundiciones, hormigón), la pendiente depende de la tensión: Ad = Tangent modulus (at 2) Stress o 5 Δα Δε Secant modulus (between origin and (1) Strain €

Transición de deformación elástica a plástica

Transición de deformación elástica a plástica Límite elástico oy: tensión que hay que aplicar para que el material se deforme plásticamente · A veces se mide buscando el punto donde se pierde la proporcionalidad (P) · En metales, generalmente se mide como la tensión que genera una deformación plástica de 0,2% Los materiales frágiles no presentan límite elástico, ya que se rompen en estado elástico. A veces se considera igual a la tensión de rotura. Elastic , Plastic Ty P Stress Strain - 0.002

Región plástica en ensayo de tracción

Región plástica D Tyi O yo 1 Unload Stress Reapply load Strain V Elastic strain recovery Cuando la tensión supera el límite elástico del material, el material entra en la región plástica El material se deformará hasta un punto máximo, donde rompe Irreversible: Al eliminar la tensión, el material se ha deformado permanentemente La deformación en un punto concreto es la suma de la deformación plástica más la deformación elástica