MATERIALES

 

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PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

        Propiedades mecánicas

        Propiedades químicas

        Propiedades Físicas

        Propiedades de fabricación

        Propiedades estéticas y económicas

 

Las propiedades mecánicas se pueden definir como la resistencia que ofrecen los materiales al ser sometidos a determinados esfuerzos exteriores, continuos o discontinuos. Estas propiedades tienen mucha importancia en la elección de un determinado material desde el punto de vista técnico.

Las propiedades más importantes son:

            ELASTICIDAD.- capacidad que tienen los materiales de recuperar la forma inicial cuando cesa la carga que los deforma. Si se rebasa el límite de elasticidad la deformación producida es permanente. Se valora mediante el llamado límite elástico: "carga que puede soportar un material por unidad de sección, si sufrir deformaciones permanentes". Se calcula con los ensayos de resistencias de materiales muy importantes a la hora de dimensionar cada pieza por debajo del límite elástico.

    Para calcular el límite elástico tenemos el ensayo de tracción:

El ensayo de tracción es el más importante para determinar las propiedades mecánicas de cualquier material. Los datos obtenidos se pueden utilizar para comparar distintos materiales entre sí y saber las condiciones de carga que puede soportar una determinada pieza. Se realiza con probetas de dimensiones normalizadas, que se someten a esfuerzos de tracción progresivamente crecientes, en dirección longitudinal, hasta producir su rotura.

Durante el ensayo se mide el alargamiento DL de la probeta debido a la fuerza de tracción F obteniéndose el diagrama F-DL. La forma del diagrama depende del material a ensayar. Para que los resultados obtenidos con probetas de distintos tamaños se usa el diagrama tensión-deformación.

Tensión s.- Fuerza aplicada a la probeta por unidad de sección.

     

Deformación o alargamiento unitario e, cociente entre el alargamiento DL experimentado por la probeta y su longitud inicial.

En la imagen podemos ver un diagrama característico de un ensayo de tracción:

        ZONA ELÁSTICA (OE). ALARGAMIENTOS ELÁSTICOS. Los alargamientos son pequeños y proporcionales a los esfuerzos. Cuando el esfuerzo cesa la probeta recupera su estado inicial. 

        ZONA PLÁSTICA (EU). ALARGAMIENTOS PERMANENTES. Los alargamientos son grandes, cuando cesa la fuerza, la deformación permanece. Si el ensayo se detiene en el punto A, la probeta recupera la deformación elástica (ee), persistiendo al final una deformación remanente o plástica (ep). Si reiniciamos ahora el ensayo, la nueva curva de tracción es semejante, pero la zona elástica se hace mayor. Con esta operación se consigue un endurecimiento del material por deformación.

En la ZONA ELÁSTICA distinguimos:

*      Zona proporcional (OP). Hay una relación lineal entre tensión s y deformación e

s = E·s  E = módulo de Young o módulo de elasticidad lineal (N/m2).

*      Zona no proporcional (PE). Las deformaciones no son permanentes, si se detiene el ensayo la probeta recupera su longitud inicial, pero no hay relación de proporcionalidad entre tensión y deformación.

En la ZONA PLÁSTICA tenemos:

*      Zona de deformación plástica uniforme (ER) con pequeños incrementos de carga se consiguen grandes alargamientos. La fuerza máxima dividida entre la sección inicial de la probeta determina la resistencia a la tracción (sR), punto en el que finaliza la zona plástica de deformación uniforme.

*      Zona de estricción o de deformación elástica localizada (RU). La deformación se localiza en una determinada zona de la probeta, la tensión disminuye y la probeta termina por romper en esa zona.

Las probetas utilizadas en el ensayo de tracción tienen una sección transversal circular o rectangular. La parte central de la probeta debe estar mecanizada para que su sección sea constante. En los extremos de la probeta la sección aumenta para facilitar su sujeción a las mordazas, se denominan cabezas. Para que el ensayo con probetas de distintas dimensiones sean comparables deben cumplir la siguiente relación:

           

Tras la realización del ensayo obtenemos los siguientes datos:

Límite de proporcionalidad (sp) tensión a partir de la cual las deformaciones dejan de ser proporcionales  a las tensiones.

Límite de elasticidad (sE y sY) tensión a partir de la cual las deformaciones en la probeta dejan de ser reversibles. Su valor es muy próximo al límite de proporcionalidad, aunque en la gráfica se separe para verlo con más claridad, en general no suelen diferenciarse. Esta tensión es difícil de medir en la práctica, para hacerlo se utilizan dos nuevas tensiones denominadas límite de de formación permanente y límite de pérdida de proporcionalidad.

Límite de deformación permanente (sr) tensión que provoca una deformación permanente igual a un determinado porcentaje de la longitud inicial, este porcentaje es del 0,2 % (sr(0,2)). Para calcularla se somete a la probeta a cargas crecientes que se mantienen durante 10 segundos y luego se eliminan. En cada caso, se mide la deformación permanente causada en la probeta. El valor sr(0,2) se obtiene por interpolación.

Límite de pérdida de proporcionalidad sP, tensión que provoca un alargamiento no proporcional igual a un porcentaje de la longitud inicial. Para obtener este valor de forma práctica es necesario considerar la intersección entre la curva y de tracción y la recta paralela a la zona proporcional de la curva que corta el eje de abscisas por el porcentaje fijado.

        

           Módulo de elasticidad de Young E, relación entre la tensión y la deformación en la zona de comportamiento proporcional.

Resistencia a la tracción sR, máxima tensión que soporta la probeta durante el ensayo.

Resistencia a la rotura su, tensión que soporta la probeta en el momento de la rotura. No tiene interés en la práctica.

  Alargamiento de rotura (A), es el mayor alargamiento plástico alcanzado por la probeta:

Lf es la longitud de la probeta después del ensayo, medida, acoplando las dos partes en que queda dividida la probeta. Sin embargo, esta no es la deformación máxima que se adquiere justo en el momento anterior a la rotura. Cuando se rompe, la deformación elástica almacenada se recupera.

  Estricción de rotura (Z), disminución de la sección tras la rotura:

            Trabajo de deformación, el área bajo la curva fuerza/alargamiento representa el trabajo necesario para conseguir la rotura de la probeta.

 

 

          

       PLASTICIDAD.- capacidad que tienen los materiales de adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura. Cuando está deformación se presenta en forma de láminas se denomina maleabilidad y si se presenta en forma de hilos ductilidad.

 

       COHESIÓN.- resistencia que ofrecen los átomos a separarse. Depende del enlace de los átomos, iónico, covalente, metálico. Los átomos de los metales se pueden separar ligeramente, de ahí su elasticidad.

 

         DUREZA.- mayor o menor resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados, por otro. Depende de la cohesión atómica. Para determinar la dureza de un material Mohs, estableció en 1820 una escala empleada en mineralogía pero que hoy no tiene aplicación. Se basa en diez minerales: talco, sal gema, calcita, fluorita, apatito, feldespato, cuarzo, topacio, corindón, diamante, ordenados en orden creciente de dureza. Para conocer la dureza de un material se intentaba rayar con el cuerpo más duro (diamante), y se continúa probando con los siguientes materiales de la escala hasta llegar a un material de la escala que no consiga rayarlo, la dureza de este material es la asignada al material estudiado.

        Otros experimentos para conocer la resistencia de ls materiales a dejarse penetrar por otros son:

                    Dureza de Brinell

     Consiste en  medir la superficie S dejada por una bola de acero sobre la superficie del material que se quiere ensayar cuando sobre esta actúa una carga P. El número de dureza viene dado por:

La superficie S corresponde al casquete esférico dejado por bola en el material.

La altura de la huella es difícil de medir, para facilitar su cálculo lo hacemos en función del radio de la huella.

La superficie de un casquete esférico es:

S = 2·p·R·h siendo h la profundidad de la huella dejada por la bola.

para calcular a aplicamos Pitágoras al triángulo de lados R, r y a:

 

Como        R = a + h   Þ   h = R - a

 

entonces:

 

Si sustituimos en la ecuación de la superficie nos queda:

            El número de dureza es:

Con este método la dureza se designa     N HB D F t

Siendo N el número de dureza expresado en KP/mm2, HB el método Brinell utilizado, D el diámetro de la bola en mm, F la fuerza aplicada en KP y t el tiempo de aplicación de la fuerza sobre la bola en segundos.

 

 

 

 

 

            Dureza de Vickers

            El ensayo de dureza de Brinell se vuelve poco fiable a partir de 400 HB, para trabajar con materiales más duros se utiliza el ensayo de Vickers más fiable.

            En este caso la bola se sustituye por un penetrador piramidal de base cuadrada de diamante con un ángulo entre sus caras de 136º. Se puede utilizar con materiales blandos y duros de espesores muy pequeños (hasta 0,05 mm).

La huella que deja el penetrador en este caso, es piramidal de superficie:

S = 4· = 2·b·h

Siendo h la altura de cada uno de los triángulo y b la longitud de la base del prisma

 

Entre las caras del prismas hay un ángulo de 136º, y por lo tanto la mitad del ángulo que se corresponde con cada una de las caras es 68º.

Obtenemos por tanto un triángulo rectángulo cuya base es la mitad de la base del prisma. Para calcular la base:

 

      b = a = d·cos 45º = d·

 siendo d la diagonal del cuadrado de la base.

 

 

      También vemos en el triángulo que:

sen 68°=   

si despejamos h y sustituimos a por su valor nos queda:

 

h =  =  

 

 La superficie de la huella en función del diámetro de la base de la pirámide es:

S = 2·b·h = 2·b·h =2·d· =   

 

            La dureza de Vickers responde a la expresión:

La diagonal de la huella se mide con el microscopio, en caso de quela carga no se aplique en dirección exactamente vertical, la forma de la huella no será estrictamente cuadrada, y es necesario medir las dos diagonales y utilizar el valor medio en la expresión de la dureza de Vickers.

            Los resultados de Vickers son siempre comparables sea cual sea la carga utilizada, ya que la fuerza de la huella es siempre la misma. Las cargas empleadas `pueden variar desde 1 a 120 Kp, aunque lo habitual es que sea de 30 Kp. Para que no se produzcan deformaciones en la cara opuesta a la prueba es necesario que el espesor de la pieza sea mayor que 8·d/7. Para una mayor seguridad se procura que:

S > 1,2·d

            Respecto a Brinell, Vickers presenta las siguientes ventajas:

                        No es necesario cambiar el penetrador al variar la carga.

                        Se puede utilizar en superficies curvas

                        El valor de la dureza es prácticamente independiente del valor de la carga

                        La prueba se puede realizar sobre materiales duros.

 

 

 

            Dureza de Rockwell

            Es el más utilizado por su rapidez de medida y el pequeño tamaño de las huellas que ocasiona, aunque su exactitud es menos que la de los ensayos de Brinell y Vickers. En Rockwell medimos la profundidad de la huella y no el área como en los anteriores. Según el tipo de material a ensayar, tenemos:

            Materiales blandos (entre 60 y 150 HV) se utiliza un penetrador de acero de forma esférica de 1,59 mm de diámetro, y se obtiene escala de dureza Rockwell B (HRB)

            Materiales duros (entre 235 y 1 075 HV) se emplea un cono de diamante con un ángulo de 120º redondeado en su punta con un casquete esférico de radio igual a 0,2 mm, obteniéndose la escala de dureza de Rockwell C (HRC)

           

            El ensayo se realiza de la siguiente forma:

            Inicialmente se realiza una precarga de 10 Kp originando el penetrador una huella de profundidad h.

            A continuación se aplica al penetrador el resto de la carga (90 Kp en el caso de la escala HRB y 140 Kp en la escala HRC), produciéndose una huella de profundidad h2.

            Transcurridos unos segundos, se reduce la carga hasta alcanzar el valor de la precarga. El valor de la huella h3, será mayor que h1, ya que en el paso intermedio se produce en el material deformaciones plásticas que no se recuperan. La máquina del ensayo de Rockwell mide la diferencia e = h3 – h1. Para expresar la dureza de Rockwell se realiza la siguiente operación:

 

HRC = 100 – e          HRB = 130 – e

 

            Las máquinas de ensayo de dureza ofrecen la medida de e en múltiplos de 0,002 mm. El máximo valor de e es el correspondiente a una profundidad de penetración de 0,2 mm.                 

 

         

        FRAGILIDAD.- propiedad opuesta a la tenacidad. El intervalo plástico esa muy corto, y por tanto el límite elástico y de rotura están próximos.

 

          TENACIDAD.- resistencia que ofrecen los materiales a la rotura por la acción de fuerzas exteriores. Es la propiedad opuesta a la fragilidad, capacidad que tiene un material para almacenar energía en forma de deformación plástica, antes de romperse. La RESILIENCIA es en realidad el resultado de un ensayo que consiste en romper una probeta del material estudiado. La diferencia entre la tenacidad y la resiliencia es que la tenacidad cuantifica la energía almacenada por el material antes de romperse, mientras que la resiliencia cuantifica la energía almacenada por el material durante la deformación elástica. La dureza y la resiliencia tienen valores paralelos de ahí que los valores de resiliencia se utilizan como orientativos de los valores de tenacidad.

    Para medir esta propiedad mecánica tenemos el péndulo de Charpy. Estos péndulos están normalizados, disponen de una energía en la posición inicial de 300 J y una velocidad de 15 m/s en el momento del impacto con la probeta.

       El trabajo de rotura de la probeta es:

 

W = P · (h0 - h1)

 

      

 

 

 

         FLUENCIA.- Lenta y continua deformación plástica que sufre un material a lata temperatura bajo la acción de una carga constante. Se produce al someter a un cuerpo a un esfuerzo superior a su límite elástico, sufre una deformación elástica y plástica acompañada de una deformación de sus estructuras cristalinas. Las deformaciones por fluencia dependen de la naturaleza del material y aumenta con la carga (s), la temperatura (T) y el tiempo (t). Su valor viene dado por:

Dd = f(s · T · t)

 

            RESISTENCIA A LA FATIGA.- El tiempo influye en el comportamiento de los materiales sometidos a la acción de diferentes esfuerzos, y también provoca que el material tenga una respuesta diferente si es solicitado por esfuerzos constantes, esto hace que se rompa con el tiempo tras una serie de ciclos aunque el valor máximo de esos esfuerzos sea inferior a su límite elástico.

             

        Las propiedades químicas más interesantes desde el punto de vista químico y tecnológico son la oxidación y la corrosión.

        Oxidación.- La reacción de oxidación se produce cuando un material se combina con el oxígeno, transformándose en óxidos más o menos complejos

          Corrosión.- Proceso íntimamente ligado a la oxidación, tiene lugar cuando la oxidación se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas. La acción del oxígeno del aire, los vapores acuosos y salinos, forman óxidos carbonatados y sulfuros que constituyen el ORÍN o HERRUMBRE. Cuando la primera capa de orín o herrumbre formada es compacta e impermeable, constituye una envoltura protectora que aísla al resto del metal sano aislado del exterior, esto ocurre en el aluminio, plomo, cadmio, cobre, cromo, cinc y níquel. Si la capa es porosa, el aire continúa su acción destructora atravesándola y extendiéndose la acción corrosiva a todo el metal como ocurre en el hierro.

 

                Las propiedades físicas no afectan a la estructura y composición de lo cuerpos:

                 Peso específico absoluto.- Peso por unidad de volumen de un cuerpo (Kg/m3 ).

                Peso específico relativo.- Relación existente entre el peso de una determinada cantidad de material y el volumen que ocupa. (N/m3 )

             

 

                Propiedades eléctricas.- Todas las sustancias en mayor o menor medida son conductoras de la corriente eléctrica y también según su naturaleza y características ofrecen una resistencia al paso de corriente eléctrica. La conductividad eléctrica representa la mayor o menor facilidad que tienen los cuerpos para tansportar la energía eléctrica. Propiedad que presentan fundamentalmente los metales debida a la nube electrónica característica de los enlaces metálicos. La oposición al movimiento de los electrones se la conoce como resistividad eléctrica. El movimiento de lo electrones debe vencer fuerzas que se oponen a su paso, esta energía se transforma en energía calorífica, efecto Joule.

                Propiedades térmicas.- propiedades relacionadas con la temperatura y determinan el comportamiento del material en unas determinadas condiciones. Entre estas tenemos la dilatación térmica, aumento de tamaño que sufren los materiales al aumentar su temperatura, siempre que no haya cambios de fase. Al aumentar la temperatura, aumentan las vibraciones de las partículas del material, dando lugar a una mayor separación entre ellas. Para su cálculo:

Para Longitudes.

α (coeficiente de dilatación lineal)

Para Superficies

b (coeficiente de dilatación superficial)

Para Volúmenes.

g (coeficiente de dilatación cúbica)

L = L0 · (1 + α· DT) S = S0 · (1 + b· DT) V = V0 · (1 + g· DT)

Los coeficientes de dilatación lineal, superficial y cúbica se relacionan de la siguiente manera:

b = 2·α   y   g = 3·α

 

Calor específico.- Cantidad de calor necesaria para elevar 1ºC la temperatura de 1 KG de determinada sustancia.

Q = ce · m · DT

Temperatura de fusión.- Al calentar un sólido, el movimiento vibratorio de sus partículas se va haciendo cada vez más amplio, produciéndose la dilatación; si continuamos aumentando la temperatura llega un momento en que la magnitud de las vibraciones es tal que la estructura del material no se puede mantener y se produce su fusión. Esta temperatura se conoce como temperatura de fusión.

Difusión.- La agitación térmica de los átomos en un sólido puede provocar desplazamientos de los mismos desde su posición de equilibrio hasta otras posiciones próximas, este tipo de movimiento se conoce como difusión.

 

 

Conductividad térmica (K).- La transmisión del calor por conducción se verifica a través de los cuerpos desde los puntos de mayor a los de menor temperatura, y se debe a los choques de los átomos y de las partículas subatómicas entre sí. Es el parámetro que indica el comportamiento de cada cuerpo frente a la transmisión de calor.

 

                Propiedades magnéticas.- Comportamiento de los materiales frente a campos magnéticos. Los materiales se pueden clasificar en:

            Materiales diamagnéticos.-  Se oponen al campo magnético aplicado, de modo que en su interior el campo magnético es más débil. Pertenecen a este grupo el Bi, Hg, Au, Ag, Cu, Na, H2, N2, etc

            Materiales paramagnéticos.- El campo magnético en su interior es algo mayor que el exterior. Al, Mg, Pt, Pd, O2, etc

            Materiales ferromagnéticos, el campo magnético interior es mucho mayor que el exterior. Estos  materiales se utilizan como núcleos magnéticos en transformadores y bobinas en circuitos eléctricos. Los más importantes son el Fe, Co, Ni y sus aleaciones, así como los óxidos de hierro conocidos frecuentemente como ferritas y utilizados en circuitos eléctricos.

                Propiedades ópticas.- Al incidir la luz sobre la superficie de un cuerpo, parte se refleja, parte se transmite a través del cuerpo, parte se difunde, (sufre una reflexión no especular en múltiples direcciones) y la luz restante la absorbe el cuerpo, aumentando su energía interna. Cuando la luz incide sobre los cuerpos estos se comportan de forma diferente:

         Cuerpos opacos.- absorben o reflejan la luz totalmente impidiendo que pase a su través.

        Cuerpos transparentes.- transmiten la luz, por lo que permiten ¡ver a través de ellos.

        Cuerpos translúcidos.- Dejan pasar la luz pero impiden ver a través de ellos.

 

Las propiedades de fabricación o tecnológicas estas propiedades nos informan sobre la posibilidad de someter a un material a una determinada operación industrial. Entre estas propiedades tenemos:

             Maleabilidad.- Capacidad que presenta un material para ser deformado mediante compresión (aplastamiento), transformándose en láminas más o menos finas. Puede realizarse en frío o en caliente. En los materiales metálicos la maleabilidad es directamente proporcional a su tenacidad e inversamente proporcional a la resistencia a la tracción y a su dureza. Son maleables el Au, Ag, Sn, Cu, Zn, Pb, Al, latón,…

 Ductilidad.- Capacidad que presenta un material para ser deformado mediante esfuerzos de tracción (alargamiento), transformándose en hilos. La ductilidad aumenta con la tenacidad y disminuye al crecer la dureza. Los más dúctiles son la Ag, Cu, fe, Pb y Al.

 Fusibilidad.- Propiedad que permite a los materiales transformarse en un determinado objeto por medio de fusión. En la práctica todos los materiales son fusibles, pero son pocos los que permiten la obtención de piezas fundidas sanas. Entre estos materiales tenemos el bronce, latón y fundición.

 Colabilidad.- Capacidad de un material fundido para producir objetos completos y sanos cuando se cuela en un molde. Para que un material sea colable debe tener gran fluidez para penetrar en todas las partes del molde y llenarlo totalmente.

 Forjabilidad.- Propiedad de los materiales para deformarse mediante golpes cuando el material se encuentra a una temperatura relativamente elevada.

 Templabilidad.- Capacidad que tiene un material metálico de sufrir transformaciones en su estructura cristalina como consecuencia de calentamientos y enfriamientos bruscos. En el calentamiento, la masa de material metálico se transforma en austenita, y en el enfriamiento brusco la austenita se transforma en martensita. Las modificaciones en la estructura cristalina trae consigo modificaciones en las propiedades mecánicas.

 Maquinabilidad o facilidad de mecanizado.- Propiedad de un material que indica la facilidad o dificultad que presenta un material para ser trabajado con herramientas cortantes arrancando pequeñas porciones llamadas virutas.

            Fresado.- El material se desplaza mientras una rueda dentada cortante fija gira.

 

 

            Torneado.- El material gira y la cuchilla se desplaza longitudinalmente.