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lunes, 25 de noviembre de 2013

Propiedades físico-mecánicas de los materiales

Las propiedades mecánicas de los materiales indican el comportamiento que éstos tienen cuando se encuentran sometidos a cargas.
Elasticidad y plasticidad
La elasticidad designa la propiedad mecánica de los materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentran sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan.
Todos los materiales tienen una cierta elasticidad, aunque evidentemente hay unos mucho más elásticos que otros. El comportamiento elástico se mantiene hasta un límite que precede a la rotura o al comportamiento plástico. 
Todos los sólidos exhiben un comportamiento elástico lineal para pequeñas deformaciones (<0.1%). Esto es explicado por la Ley de Hooke.
En un esquema tensión/deformación como el de la figura se puede determinar el módulo de Young, el cual es la pendiente de la recta dentro de los parámetros elásticos, es decir, el módulo de Young se obtiene dividiendo la tensión entre la deformación.
El módulo de Young es un parámetro que mide la elasticidad de los materiales, y a mayor módulo de Young menor elasticidad.
Por encima de un valor de carga los materiales se deforman plásticamente. Los materiales cerámicos se pueden fracturar progresivamente, apareciendo el comportamiento plástico o súbitamente, sin prácticamente deformación plástica.
La plasticidad es la propiedad mecánica de un material de deformarse permanente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su  límite elástico.
Para obtener todos estos parámetros sometemos a los materiales a un ensayo de tracción, en los que podemos obtener los siguientes parámetros resistentes:
  • Límite de proporcionalidad
  • Límite elástico
  • Resistencia a la tracción
Y los siguientes parámetros de ductilidad:
  • Deformación bajo carga máxima
  • Deformación tras la rotura
  • Estricción
  • Alargamiento en rotura (elongación)

 
 Según los datos obtenidos en diferentes ensayos el material más elástico, es decir el que tiene un módulo de Young más bajo es la espuma de poliuretano, con un valor de 1 MPa (megapascales), mientras que el material más rígido históricamente era el diamante, con un módulo de elasticidad de unos 500000 MPa, pero con el descubrimiento del grafeno se ha comprobado que éste posee un módulo de Young de 1000000 MPa.
Dureza
La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes; entre otras.
  •  Ensayos de dureza por rayado: Relacionan la dureza de un material y su resistencia a ser rayado.
Escala de Mohs: Se basa en que un material puede rayar a otro que sea más duro. Está compuesto por diez materiales cada uno más duro que el anterior.

Por  ejemplo, la fundición gris se mueve entre el 8 y el 9, los aceros entre el 6 y el 8, y el hierro entorno al 5.
Ensayo Martens: Se mide la anchura de la rayadura que produce en el material una pirámide de diamante bajo carga constante.
 
El valor de la dureza Martens (HM) se obtiene de la siguiente fórmula HM=10000/a^2, siendo "a" la anchura de la rayadura que produce la pirámide de diamante, medida en micras.
Ejemplos de distintos materiales y su valor HM: Pb es de 16.8; Cu 37 y el del acero oscila entre 73 y 145
  • Ensayos de dureza por rebote
Se mide con esclerómetros, que constan de un tubo graduado de 0 a 100. Por su interior se impulsa un proyectil, cuya forma depende del esclerómetro y del material a ensayar, que impacta contra la superficie de la muestra desde una posición fija. La altura del rebote determina su dureza.
Una variante es el método dinámico, en el que se miden la velocidad de salida del proyectil (Vb) y la velocidad de rebote (Va)
HL=1000*(Vb/Va)

  • Ensayos de dureza por indentación
Evalúan la oposición que ofrecen los materiales a que otro más duro les haga una mella en su superficie por efecto de una presión. Existen diferentes métodos que dan lugar a las diferentes escalas
 
 
Ensayo Vickers En el vídeo aparece un hindú hablando inglés muy rápido y se le entiende regular, pero creo que explica muy bien como realizar un ensayo Vickers.
Vídeo en el que se explica diferentes ensayos Rockwell
Fragilidad
La fragilidad es la cualidad de los objetos y materiales de romperse con facilidad. Aunque técnicamente la fragilidad se define más propiamente como la capacidad de un material de fracturarse con escasa deformación.
Resistencia
La resistencia de materiales clásica es una disciplina de la ingeniería mecánica y la ingeniería estructural que estudia los sólidos deformables mediante modelos simplificados. La resistencia de un elemento se define como su capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse de algún modo.
Un modelo de resistencia de materiales establece una relación entre las fuerzas aplicadas, también llamadas cargas o acciones, y los esfuerzos y desplazamientos inducidos por ellas. Generalmente las simplificaciones geométricas y las restricciones impuestas sobre el modo de aplicación de las cargas hacen que el campo de deformaciones y tensiones sean sencillos de calcular.
Para el diseño mecánico de elementos con geometrías complicadas la resistencia de materiales suele ser insuficiente y es necesario usar técnicas basadas en la teoría de la elasticidad o la mecánica de sólidos deformables más generales. Esos problemas planteados en términos de tensiones y deformaciones pueden entonces ser resueltos de forma muy aproximada con métodos numéricos como el análisis por elementos finitos.
Resilencia
Se llama resiliencia de un material a la energía de deformación (por unidad de volumen) que puede ser recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la deformación. La resiliencia es igual al trabajo externo realizado para deformar un material hasta su límite elástico.
Simplificando, es la capacidad de memoria de un material para recuperarse de una deformación, producto de un esfuerzo externo. El ensayo de resiliencia se realiza mediante el Péndulo de Charpy. 
 
En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en julios por metro cúbico (J/m3).
Entre los materiales conocidos más resilentes se encuentra la seda de araña (4.500 kJ/m3), el tendón (2.800) o el cuerno de mamíferos (1.800). El acero en cables presenta un resiliencia elevada (900 kJ/m3). La madera tiene resiliencias distintas según el signo de la tensión y su orientación respecto a la dirección de las fibras, y los valores de su tenacidad pueden ser muy superiores en algunos casos.
Fatiga
La rotura por fatiga aparece en elementos sometidos a tensiones dinámicas y fluctuantes
La fractura acontece a un nivel inferior a la resistencia bajo carga estática, suele ocurrir súbitamente y ser catastrófica.
 
Tipos de fatiga
  • Según existencia o no de fisuras previas
En los elementos sin defectos se producen tres etapas: iniciación, propagación y rotura. Por ejemplo ejes de émbolos, rodamientos de bolas...
En los elementos con defectos sólo hay dos etapas: propagación y rotura. Este tipo de fractura suele darse en grandes estructuras, especialmente las que llevan soldaduras como por ejemplo barcos, puentes, etc...
  • Según el tipo de esfuerzo aplicado
-Fatiga axial (tensión y/o compresión)
-Fatiga por flexión
-Fatiga por torsión
  • Según la intensidad del esfuerzo aplicado
-Fatiga con alto número de ciclos: la fatiga se produce a tensiones por debajo de una cedencia general; >= 10^4 ciclos a la fractura. Ejemplos: todos los sistemas que vibran o rotan, como las ruedas o los componentes de un motor.
-Fatiga con bajo número de ciclos: la fatiga se produce a tensiones por encima de una cedencia general; <=10^4 ciclos a la fractura. Ejemplos: componentes de un reactor nuclear, el fuselaje de un avión....


 
Curvas S-N
Estas curvas se obtienen a través de una serie de ensayos donde una probeta del material se somete a tensiones cíclicas con una amplitud máxima relativamente grande (aproximadamente 2/3 de la resistencia estática a tracción). Se cuentan los ciclos hasta rotura. Este procedimiento se repite en otras probetas a amplitudes máximas decrecientes.
Los resultados se representan en un diagrama de tensión, S, frente al logaritmo del número N de ciclos hasta la rotura para cada una de las probetas. Los valores de S se toman normalmente como amplitudes de la tensión \sigma_{a} \ .
Se pueden obtener dos tipos de curvas S-N. A mayor tensión, menor número de ciclos hasta rotura. En algunas aleaciones férreas y en aleaciones de titanio, la curva S-N se hace horizontal para valores grandes de N, es decir, existe una tensión límite, denominada límite de fatiga, por debajo del cual la rotura por fatiga no ocurrirá.
Otro parámetro importante que caracteriza el comportamiento a fatiga de un material es la vida a fatiga Nf. Es el número de ciclos para producir una rotura a un nivel especificado de tensiones.
Conductividad eléctrica
La conductividad eléctrica es la medida de la capacidad de un material que deja pasar la corriente eléctrica, su aptitud para dejar circular libremente las cargas eléctricas. La conductividad depende de la estructura atómica y molecular del material, los metales son buenos conductores porque tienen una estructura con muchos electrones con vínculos débiles y esto permite su movimiento. La conductividad también depende de otros factores físicos del propio material y de la temperatura.
La conductividad es la inversa de la resistividad, por tanto \scriptstyle \sigma = 1/\rho, y su unidad es el S/m (siemens por metro) o Ω-1·m-1. Usualmente la magnitud de la conductividad (σ) es la proporcionalidad entre el campo eléctrico \bold{E} y la densidad de corriente de conducción \bold{J}:
\bold{J} = \sigma \bold{E}
Conductividad térmica

La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a sustancias con las que no está en contacto. En el Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en W/(K·m) (equivalente a J/(s·K·m) )
La conductividad térmica es una magnitud intensiva. Su magnitud inversa es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor. Para un material isótropo la conductividad térmica es un escalar \lambda (k en Estados Unidos) definido como:

\lambda = \frac{\dot{q}}{|\nabla T|}
donde:
\dot{q}, es el flujo de calor (por unidad de tiempo y unidad de área).
\nabla T, es el gradiente de temperatura.
Una conductividad térmica de 1 vatio por metro y kelvin indica que una cantidad de calor de un julio (J) se propaga a través de un material por conducción térmica:
  • en 1 segundo,
  • por una superficie de 1 m2,
  • por un espesor de 1 m,
  • cuando la diferencia de temperatura entre las dos caras es de 1 K.
Cuanto mayor sea su conductividad térmica, un material será mejor conductor del calor. Cuanto menor sea, el material será más aislante. Por ejmplo, el cobre tiene una conductvidad de 380 vatios por kelvin y metro, y es más de 10 000 veces mejor conductor del calor que el poliuretano (0,035 vatios por kelvin y metro).
Tabla de conductividad térmica de diversos materiales


Enlaces de interés
Adjunto un curso de Ciencia y tecnología de los materiales de la UC. Es de libre acceso para todo el mundo, y creo que es muy completo e interesante
http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/ciencia-y-tecnologia-de-los-materiales 
www.wikipedia.org 
Glosario en inglés
Elasticidad - Elasticity
Plasticidad - Plasticity
Dureza - Hardness
Fragilidad - Fragility
Resistencia - Resistance
Resiliencia - Resilience  
Fatiga - Fatigue
Conductividad eléctrica - Electrical conductivity
Conductividad térmica - Thermal conductivity
Fluencia - Creep
Ensayo de tracción - Tensile test
Límite elástico - Yield 
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