Propietats dels materials

PROPIETATS DELS MATERIALS
1.− Propietats físiques
1.1.− Primàries
1.1.1.− Extensió ( Volum )
Es la propietat que tenen els metalls, amb tots els cossos materials, d`ocupar espai.
L`estudi de la extensió correspon a la geometria, que denomina volum, a l`espai ocupat per un cos.
Es determina el volum dels cossos descompassant−se en formes geomètriques de volum fàcil de calcular
coneixent els seus paràmetres fonamentals, com prismes, cons, etc.
Poden també determinar−se el volum dels cossos aberiguan't el volum que desallotgen de algun líquid que no
els ataquen, generalment aigua.
1.1.2.−Impenetrabilitat ( massa, densitat )
L`espai que veien ocupat per un cos no pot ser desocupat al mateix temps per un altre cos. Aquesta propietat
es coneix amb el nom de impermeabilitat.
La impermeabilitat es deguda a que els cossos estan compostos de una substància consistent i en apariència
compacta, que omple el seu volum, constituint el que es denomina massa del cos.
La unitat de massa es el gram, que es la massa de
de aigua destil·lada a al temperatura de 4º C.
Densitat. Hi ha materials que en igualtat de volum pesen molt mes que altres, com si la seva massa sigues mes
densa. Per exemple el plom pesa cinc vegades mes que l`alumini a igual volum.
Es denomina densitat a la relació entre el pes de un volum determinat de un cos i el pes del mateix volum de
aigua a 4ºC. Com els dos termes d`aquesta relació son de la mateixa especie, es dir, pesos, la relació resulta un
numero abstracte. Es a dir, que la densitat es un numero que no te magnitud. Si diem que la densitat de
l`alumini es 2.69, volem indicar que un volum de alumini pesa 2.69 vegades el mateix volum de l`aigua a 4ºC.
1.1.3.− Gravidesa ( Pes específic )
Tant la extensió com la massa de la que es conseqüència la impenetrabilitat son propietats absolutes e
independents de la situació en que es troben els metalls. Però com la matèria que ordinàriament movem esta
en el nostre planeta, on tots els cossos estan sostinguts a la acció de la gravetat, pot considerar−se la gravetat
com una propietat mes dels metalls. Tots els metalls, per tant, son pesats.
Pes específic. _ Es denomina pes específic el pes de la unitat de volum de un cos.
Normalment es determina el pes específic medint directament el pes de la unitat de volum del cos de que es
tracte. Però el valor així obtingut no es constant física rigorosament exacta, doncs dependrà de la seva
estructura, de si ha sigut comprimit prèviament, dels pors que contingui la mostra.
1
Un càlcul mes rigorós pot efectuar−se sumant el pes dels àtoms que conte un centímetre cúbic del metall o cos
de que es tracte.
1.2.− Propietats Tèrmiques
1.2.1.− Conductibilitat calorífica.
Una de les propietats característiques dels metalls es la rapidesa en que el calor aplicat a la superfície es
transmet a la totalitat de la massa. Aquesta propietat s`anomena Conductivitat calorífica.
La elevació de la temperatura en un metall s`inicia sempre en la superfície en contacte o mes immediata al
focus calorífic, i es tradueix en un augment de la energia i amplitud de vibracions dels àtoms superficials.
Pareix lògic que la transmissió de la energia calorífica a traves de la massa dels metalls deuria verificar−se per
col·lisions directes dels àtoms de la superfície inicialment caldejada amb els àtoms mes pròxims.
La gran diferencia de velocitat de transmissió del calor, o sigui de la conductivitat calorífica, entre els
materials que tenen enllaç metàl·lic i que els que no el tenen fan pensar que el mig de transport son els
electrons.
La conductivitat es valora per mig de una constant que es denomina coeficient de conductivitat calorífica.
La conductivitat calorífica te una gran impotència en els tractaments tèrmics dels metalls, en els que interessa
, en el menor temps possible, uniformitat de temperatura entre la superfície i el nucli de les peces, tant en els
calentament com en els refredaments.
1.2.2.− Capacitat calorífica.
Es denomina capacitat calorífica de un cos a la quantitat de calor necessària per elevar un grau centígrad la
seva temperatura.
La contant que defineix la capacitat calorífica es el calor específic, que es la quantitat de calor necessària per
elevar un grau centígrad la temperatura de un gram de massa. Es a dir que el calor específic es la capacitat
calorífica de la unitat de massa.
El calor específic no es rigorosament constant, sinó que varia en la temperatura, l`estat molecular i l`estat físic
del cos. Un cos amorf te distint calor específic per a cristal·litzar, i també es distint en estat sòlid que en estat
líquid.
Com en el procés de elaboració i conformació dels metalls son freqüents els calentament i refredaments, tenen
interès el coneixement del calor específic per al càlcul de la enrogia calorífica necessària per als calentament o
els processos de refredaments.
1.2.3.− Dilatabilitat.
Al augmentar la temperatura de un metall, augmenta també la energia de vibracions dels seus àtoms, el que
provoca interferències amb els àtoms veïns i un augment consegüent de la força de la repulsió. Tot això treu
conseqüència que el metall augmenta les seves distancies fins que aconsegueix el seu equilibri inicial.
L´augmemt de les dimensions dels paràmetres cristal·lins es tradueix en un augment total de les dimensions
dels metalls i per tant del seu volum.
2
En la practica resulta mes interessant que l`augment del volum produït per la dilatació, l`augment de la
longitud en una direcció determinada, o sigui, la dilatació lineal, que es valora per mig del coeficient de
dilatació lineal, que es l`augment de la longitud que experimenta la unitat de longitud de un cos al augmentar
un grau de temperatura.
El coneixement del càlcul de la dilatació que pot experimentar els metalls al augmentar la seva temperatura, i
de la seva contradicció al refredar−se, te molta importància, tant en la seva elaboració com en la seva
utilització.
En la seva elaboració es pot tenir en compte la contracció que poden experimentar els metalls al refredar−se
en els motlles. I en el mecanitzat, la elevació de temperatura que produeix el tall i el rosament de la ferramenta
en els metalls de variació dimensional en treballs de precisió.
1.2.4.− Fusibilitat.
Al calentar els metalls augmenta la amplitud de les vibracions dels àtoms, produint la dilatació del metall,
però si es seguis augmentant la temperatura arribaria un moment que la seva amplitud de les vibracions es
igual a la distancia interatomica, en la qual es produeix el desmoranament de la estructura cristal·lina i es quan
el metall es fusiona.
La major part dels metalls augmenten de volum al fondres, sent per tant mes densos en estat sòlid que en estat
líquid.
Temperatura o punt de fusió: La temperatura a que es fonen els metalls es denomina temperatura o punt de
fusió. Aquesta temperatura es per tant mes baixa quan major es la distancia interatomica entre els cristalls,
així els metalls alcalini−termics fonen a temperatures mes baixes que els alcalins.
La temperatura de fusió es una constant ben definida per els metalls purs, però en les aleacions la fusió no es
produeix a una temperatura determinada en un interval de temperatures.
En les aleacions existeix una determinada proporció dels metalls en que la temperatura de fusió es inferior a la
de qualsevol altra proporció de components, i ademes la fusió o solidificació es verifica a una sola
temperatura i no a un interval de temperatures
1.3.− Propietats elèctriques.
1.3.1.− Conductivitat elèctrica.
La conductivitat elèctrica és una propietat gairebé exclusiva dels metalls.
Una forma de definir−la seria: facilitat que posseeixen els metalls a transmetre el corrent elèctric a través de
la seva massa.
Amb això podem dir que el corrent elèctric d'un conductor consisteix en el desplaçament dels electrons en
sentit contrari a la direcció del camp elèctric.
− Efecte Joule.
L'efecte Joule és el calor produït per la resistència que oposen els materials al pas del corrent elèctric. Segons
els experiments realitzats per Joule, el calor és una transferència d'energia i pot causar els mateixos canvis a
un cos que el treball.
3
1.3.2.− Emissió termoiònica.
L'emissió termoiònica es produeix a l'augmentar la temperatura d'un metall, produint un augment de l'energia
dels electrons a més de l'augment d'espai interatòmic i com a conseqüència el núvol electrònic sobrepassa la
superfície del metall i queda flotant al seu voltant.
L'emissió termoiònica depèn del metall i de la seva temperatura i és necessari el calor de vaporització per al
canvi d'estat així com una quantitat d'energia necessària per arrencar els electrons del metall.
− Efecte Edison.
Es col·loca al buit un fil incandescent i davant d'aquest es situa un elèctrode o placa carregada positivament
respecte el filament, es produeix una corrent elèctrica des del filament fins la placa.
Amb aquest concepte es treu la conclusió que l'efecte Edison és el pas del corrent elèctric a través del núvol
electrònic.
1.3.3.− Termoelectricitat.
La termoelectricitat es produeix, igual que l'emissió termoiònica, a l'augmentar la temperatura d'un metall,
però tant sols d'un extrem, fent que augmentar la pressió del gas electrònic a un extrem més que a la de l'altre.
Això produeix una concentració d'electrons, de tal manera que el camp electrostàtica tingui que compensar la
difusió electrònica creant d'aquesta manera una força electromotriu entre els dos extrems, anomenada f.e.m.
Thomson que té un valor d'uns milivolts.
− Efecte Peltier.
Quan s'uneixen dos metalls diferents i fem circular un corrent elèctric per mig del circuit, el calor que es
desprèn a la unió és menor o major que el que correspondria per l'efecte Joule. Això es degut a que es
produeix a la superfície de contacte una f.e.m. Aquesta força electromotriu es de l'ordre d'uns milivolts i
depèn dels metalls en contacte. Aquest fenomen és l'anomenat efecte Peltier.
− Efecte Seebeck.
Si formem un circuit amb dos metalls diferents i s'escalfa una de les unions, es produeix una f.e.m. Thomson
cap a la unió calenta en els dos metalls. Com les f.e.m. Peltier són diferents a les dos unions, ja que estan a
diferent temperatura, es produirà una corrent elèctrica per tot el circuit.
Efecte Seebeck
1.4.− Propietats magnètiques.
4
La classificació dels materials magnètics es basa en la reacció d'aquest enfront un camp magnètic.
Per a entendre aquestes característiques farem servir el següent concepte: Quan un material es sotmès a l'acció
d'un camp magnètic d'intensitat H, es produeix al material una inducció d'intensitat B, creant la permeabilitat
magnètica , que és la relació entre la intensitat d'inducció i la intensitat del camp.
µ=B/H
− Intensitat de camp: quantitat de línies magnètiques que passen per línterior d'un material.
− Camp magnètic: quantitat de línies magnètiques que passen per l'exterior, és a dir, per l'aire, d'un material.
1.4.1.− Diamagnetisme.
Les substàncies diamagnètiques són les que tenen el coeficient de permeabilitat magnètica menor que la
unitat. Per a poder veure el que ens produeix aquesta substància es col·loca una vara de metall en direcció
transversal al camp i les línies de força del camp tindran tendència a eixamplar−se evitant atravessar la vara.
1.4.2.− Paramagnetisme.
La substància paramagnètica és la que té un coeficient de permeabilitat magnètica superior a la unitat.
Si és col·loca una vara en la mateixa direcció del camp s'observa que els línies s'agrupen i es concentren per a
travessar la vara.
1.4.3.− Ferromagnetisme.
Els elements ferromagnètics tenen uns coeficients de permeabilitat magnètica molt elevats (106), o sigui que
són grans paramagnètics.
Aquestes substàncies són les que, com el ferro, mantenen un moment magnètic inclòs quan el camp exterior
desapareix. Aquest efecte es degut a una forta interacció entre els moments magnètics dels àtoms de la
substància magnètica, que els fa alinear de forma paral·lela entre sí.
Els materials ferromagnètics estan dividits en regions anomenades dominis, que per a magnetitzar−se i
desmagentitzarse atravessen el cicle d'histèrisis.
Un material ferromagnètic acabarà perdent les seves propietats magnètiques quan s'escalfa. Aquesta pèrdua es
completa per sobre d'una temperatura coneguda com a punt de Curie (per al ferro té una valor d'uns 770ºC).
− Dominis de Heisemberg.
Cada cristall pot considerar−se descompost en zones magnètiques anomenades de Heisemberg, a les que
s'agrupen els àtoms de moment magnètic d'igual direcció i sentit, resultant un moment magnètic per domini,
en que la seva direcció està relacionada amb els eixos dels cristalls.
− Cicle d'histèrisis.
El cicle d'histèrisis es podria definir com el desfasament d'energia emprada en la reorientació dels dominis
des de l'estat magnetitzat fins el desmagnetitzat.
Descripció del cicle d'histèrisis
5
A la figura anterior es representa el valor de la inducció B d'un material ferromagnètic col·locat en un camp
d'intensitat magnètica variable H.
Si s'augmenta el valor de la intensitat del camp H, creix el valor de la intensitat d'inducció B, fins el valor
Bmax que no es pot rebassar per molt que s'augmenti H. Aquesta intensitat d'inducció Bmax s'anomena de
saturació.
Si es disminueix el valor H fins reduir−se a 0, el valor de B resulta igual de ½ a 12/3 de l'inducció de
saturació. Aquest valor B, és la intensitat del magnetisme remanent.
Si es continua disminuint el valor H per baix de 0, o sigui, si li donen valors creixents negatius, de sentit
contrari a les anteriors, a l'arribar a un determinat valor H es reduirà B a 0. A aquest valor de la intensitat del
camp necessària per anular el magnetisme el metall se l'anomena força coercitiva.
Al seguir creixent negativament H arriba a un altre valor que produeix la inducció de saturació −Bmax, de
sentit contrari al trobat abans; i de la mateixa manera, al tornar a donar a HG el valor 0, queda un magnetisme
remanent d'intensitat igual a −B. Si es continua augmentant el valor de H, tornarà a reduir−se el magnetisme
induït Ba.
2.− Propietats químiques
Generalitats
Els metalls estan constantment exposats a la acció de la atmosfera, que, com se sap, està composta
principalment de 79 parts de nitrogen i 21 parts de oxigen. Com el nitrogen és un gas molt poc actiu, es pot dir
pràcticament inert, tota acció atmosfèrica depèn de la activitat del oxigen, que no és molt per està en estat
molecular (amb enllaços homopolars creant molècules de O2).I com, per una altra part, els metalls són molt
estables resulta que, sense la intervenció d'un altre agent, l'acció de l'oxigen sols sobre els metalls resulta molt
dèbil.
Els agents col·laboradors de l'oxigen són principalment dos: el calor i la humitat. L'oxigen amb el calor
produeix l'oxidació dels metalls. I l'oxigen amb la humitat produeix la corrosió. Tots dos processos són
completament diferents, encara que s'utilitzen generalment protecció comuns per a prevenir−los.
2.1.− L'oxidació
L'oxidació directa, sense la intervenció de la calor, es produeix en quasi tots els metalls degut a dues causes: a
l'acció de l'oxigen en estat atòmic (naixent o dissociat), que sempre existeix en l'atmosfera, i en la menor
estabilitats dels àtoms superficials dels metalls, que estan enllaçats menys energèticament que els de l'interior.
Però aquesta acció és molt dèbil, doncs la capa finíssima de l'òxid que es forma en la superfície, que de
vegades no té més espessor que el d'una molècula, impedeix el contacte amb la resta de la massa metàl·lica
amb l'oxigen atmosfèric i, per tan, no progressa l'oxidació.
Ara bé, si la temperatura s'eleva, l'oxidació pot també progressar per un fenomen de doble difusió. D'una part,
els àtoms d'oxigen exteriors passen a través de la capa d'òxid i ataquen l'interior del metall, i de l'altra, els
àtoms del metall es difonen a través de la capa d'òxid i són atacats a l'arriba a la superfície. La capa d'òxid, per
tan, augmenta per les seves dos cares, l'exterior i la interior.
A mesura que augmenta la espessor de la pel·lícula augmenta també la dificultat de difusió, fins arribar a un
determinat gruix se deté i, per tan, para també l'oxidació.
6
L'espessor d'òxid necessari per a produir una acció protectora depèn de la naturalesa del metall i varia molt
segons els casos.
Però com a mesura que augmenta la temperatura no sols es facilita la reacció de l'oxigen amb el metall, sinó
que augmenta la permeabilitat de la capa d'òxid, l'espessor de la capa d'òxid necessari per detenir l'oxidació
dependrà no sol del metall sinó també de la temperatura a que es sotmeti.
A la vista de lo exposat, pareix que l'oxidació s'hauria de parar sempre a l'arriba la capa d'òxid a una espessor
crític protector, perfectament determinat per a cada temperatura.
Però no succeeix així, doncs per la diferència entre els coeficients de dilatació de la capa d'òxid i de la resta
del metall, acaba esta per agrietar−se, i per les grietes progressa l'oxidació. Inclòs quan la capa arriba a un cert
espessor, arriba a despendre's en forma de closca, quedant el metall novament exposat a tota la intensitat de
l'oxidació.
Resumint això no existeix ningú metall que resisteixi l'oxidació fins a una certa temperatura per baix de la
qual les capes d'òxid que es produeixen són suficientment impermeables per impedir la difusió a la
temperatura en que es troben i lo suficientment fines per a mantenir−se apagades al metall sense fissures.
Oxidants
Els cossos més empleats com oxidants son:
• El oxigen amb el aire, lo qual la seva importància és molt considerable ( respiració, combustió, etc.. ), el
ozó i el aigua oxigenada
• Els halògens, principalment, clor i brom, que actuen en general en medi alcalí: per exemple en forma de
aigua de Javel.
• El àcid sulfúric concentrat i el àcid nítric, molt empleat en els laboratoris i la indústria
• Alguns òxids metàl·lics , com el dioxid de magnesi i el triòxid de crom
• Algunes sals, com permagnat potàssic, els cromats i els dicromats alcalins, els clorats, els nitrats, etc..
generalment en medi àcid
2.2.− La corrosió
Es defineix la corrosió, en general, com la destrucció lenta i progressiva d'un metall per l'acció d'un agent
exterior. La corrosió atmosfèrica és la produïda per l'acció combinada de l'oxigen de l'aire i la humitat. Però
existeix també la corrosió química, produïda per l'acció dels àcids i els àlcalis.
Com en l'atmosfera sempre existeix la humitat a la temperatura ambient, els metalls es destrueixen més per
corrosió que per oxidació descrita anteriorment.
La corrosió causa pèrdues enormes i desgracies incalculables, degut a accidents produïts per ruptures de peces
debilitades per la corrosió i l'oxidació.
Tan sols en els Estats Units, es calcula que les pèrdues per corrosió superen els 6.000 dòlars per minut.
Tipus de corrosió
Essencialment es poden distingir tres tipus de corrosió:
Corrosió uniforme. El metall s'aprima uniformement com, per exemple, quan s'ataca una planxa de coure amb
àcid nítric. La resistència mecànica decreix proporcionalment a la disminució de l'espessor.
7
• corrosió uniforme, b) corrosió localitzada, c) corrosió intergranular
Corrosió localitzada. El metall es queda picat, acabant en general per quedar en grans rugositats en la seva
superfície. En aquest cas la capacitat de deformació del metall disminueix més ràpidament del que és pot
esperar per la pèrdua de massa. Exemple de aquest tipus de corrosió és la del aigua amb el ferro.
Corrosió intergranular. És un tipus de corrosió que afecta a la unió dels grans dels components dels metalls,
debilitant la resistència del conjunt de tal manera que a vegades és trenquen les peces al menor esforç, sense
que exteriorment s'observi ninguna alteració de la superfície.
Corrosió selectiva. Un exemple és la pèrdua de zinc del llautó, que és una aleació de cobre − zinc, deixant una
capa porosa de coure de baixa resistència
Corrosió baix tensions. Sol ocórrer quan actuen esforços estàtics superficials de tensió, combinats amb un
medi corrosiu.
Corrosió − erosió. La erosió es deu al fluix turbulent de fluids que contenen sòlids en suspensió. La
combinació de aquest efecte mecànic amb l' ambient corrosiu accelera el deterioro del material.
Corrosió amb fatiga. Es un altre cas de corrosió combinat mecànic−corrosiu i es deu a la acció de un medi
agressiu sobre el metall, sotmès a la vegada a esforços variables.
Causes de la corrosió
La corrosió és un fenomen molt complicat, les veritables causes i formes de actuar no s'han aclarit per
complet.
Actualment, s'admeteix que la corrosió és produeix per dos classes de acció fundamentals : per acció
electroquímica i per acció exclusivament química.
La corrosió per acció electroquímica és la que té lloc sobre els metalls exposats a la atmosfera humida, o baix
aigua, o soterrats, etc. Aquesta classe de corrosió es pot produir sense força electromotriu exterior, que és la
corrosió galvànica, i per la acció electromotiu exterior que anomenem que es la corrosió electroquímica.
La corrosió química té interès per a la construcció de aparells resistents a la corrosió dels productes químics
que intervenen en el procés de fabricació.
Existeix un altre tipus de acció corrosiva, la bioquímica, produïda per bactèries, i que té lloc en objectes
metàl·lics enterrats
oxidació del ferro a certes temperatures
Assatjos de corrosió
Per a conèixer el comportament dels metalls sotmesos a la acció de agents corrosius es practiquen
habitualment els assatjos següents:
• Immersions alternades amb aigua de mar artificial ( 30 gr. De sal comú pura per litre de aigua, a una
temperatura de 35º© ) .
8
• Immersió parcial continua en aigua de mar artificial.
• Polvorització durant vint−i−quatre hores, de neula salina de aigua de mar artificial.
• Immersió en aigua salada amb anodo de carbó i amb tota la peça a assajar.
Amb tots aquest assatjos es pot valorar el empanat de la superfície ( reducció del poder reflector), la reducció
de les propietats físiques i mecàniques, el volum de gas després, el calor
després en un temps determinat, i , sobre tot, el més corrent és valorar la pèrdua de pes expressat per
centímetre quadrat de superfície de mostra.
Camera per a assatjos de corrosió accelerada en neula salina
3.− Propietats Mecàniques
Algunes d'aquestes propietats donen superioritat davant d'altres materials per a aplicacions mecàniques o
estructurals.
Aquestes propietats aïlladament no tenen gran valor, per exemple el diamant té més cohesió i el cautxú mes
elasticitat que molts metalls. Per tant la seva superioritat s'aconsegueix amb l'excel·lent combinació de les
propietats que podran adquirir per mig d''al·leacions i tractaments tèrmics.
3.1.− Cohesió (Duresa)
Cohesió: Es defineix com la resistència que oposen els àtoms dels metalls a separar−se uns dels altres.
Influeix molt el tipus d'enllaç dels àtoms. Per exemple l'enllaç iònic i homopolar són mes energètics que els
enllaços metàl·lics. Un de característic pot ser el diamant.
Duresa: Es defineix generalment com la resistència que oposa un cos a ser penetrat per un altre. Per tant no es
una propietat, sinó el resultat d'un assaig. Es sol associa que com més forta es la seva cohesió, mes difícil serà
de penetrar un cos, per tant una major duresa.
Es valora en funció de la marca que deixa una bola o punta piramidal, aplicada amb una força determinada
sobre el cos que s'assaja.
També la defineixen com la resistència que oposa un cos ha ser ratllat per un altre.
Per últim pot ser el valor d'alçada que aconsegueix al rebotar un martell patró damunt el cos que s'assaja.
Per tant els nombres que valoren la duresa si no indiquen quin tipus d'assaig s'ha fet no serveixen per res.
Com més alt es el punt de fusió del material, generalment més elevada es la seva duresa.
A continuació es detalla una llista amb la duresa Brinell d'alguns materials:
Alumini recuit: 30; Plata: 28; Coure Recuit: 140; Níquel: 150; Acer de 0'15% de C: 110; Acer de 0'25% de C:
150; Acer de 0'35% de C: 170; Acer de 0'45% de C: 190; Acer de 0'55% de C: 210.
3.2.− Elasticitat.(Límit elàstic)
Elasticitat: Es defineix com la capacitat que té un cos de recobrar la seva forma original un cop deixa d'actuar
la causa que deforma els cossos elàstics.
9
Es pot explicar de la següent forma: si s'aplica una força de deformació F a un metall, els àtoms es desplacen
en la direcció de la força, passat a ocupar les posicions dels cercles blancs.
La deformació elàstica te un caràcter circumstancial, i com cap enllaç atòmic, s'ha trencat un cop recupera la
seva forma inicial no queda cap marca ni en la seva estructura ni en la forma.
Límit d'Elasticitat: Es defineix com la càrrega màxima que pot suportar un metall sense patir cap deformació
permanent. Per tant, igual que la duresa, no es una propietat sinó el resultat d'un assaig que dona un coeficient.
A la practica es molt difícil de mesurar per mig d'assajos aquesta ultima definició. Normalment s'usa el límit
elàstic de 0'2, que es la càrrega que produeix una deformació permanent del 0'2 per cent.
Aquest límit te gran importància en projectes mecànics, com per exemples: molles, tot tipus d'aparells de
maquina i estructures per a que treballin per davall d'aquest límit.
A continuació es detalla una llista amb el límit d'elasticitat en kg/mm2 d'alguns materials:
Alumini recuit: 15; Plata: 0'5; Coure Recuit: 6; Níquel: 9; Ferro: 20; Acer de 0'15% de C: 28; Acer de 0'25%
de C: 30; Acer de 0'35% de C: 35; Acer de 0'45% de C: 40; Acer de 0'55% de C: 43.
3.3.− Plasticitat.(ductilitat, mal·leabilitat)
Plasticitat: Es defineix com la capacitat o aptitud dels cossos plàstics per adquirir deformacions permanents.
Per tant es contraria a l'elasticitat, existeix desplaçaments dels cristalls respecte als altres, però sense que arribi
a produir un trencament del material.
Deformació plàstica d'una xarxa cristal·lina
Per a que el desplaçament dels cristalls sense trencament es verifiqui, s'han de complir aquestes condicions:
• Que els enllaços atòmics no siguin individuals
• Que durant els desplaçaments no es superi un determinat límit
• Que l'estructura resultant després del desplaçament sigui energèticament admissible
La primera condició sols la compleixen es enllaços metàl·lics i iònics, però no els enllaços homopolars.
La segona condició sols es pot complir en xarxes simples amb moltes direccions compactes d'elevat nombre
de coordinació.
10
La tercera condició sols la poden complir els enllaços metàl·lics on les seves xarxes simples es reprodueixin
amb facilitat a l'acabar els desplaçaments.
Mal·leabilitat: Es una varietat de la plasticitat, s'aplica aquesta denominació a la capacitat o aptitud per a la
deformació en làmines, que tenen els materials mal·leables. L'or per mig d'un laminat i un martellejat se li
poden aconseguir làmines de 1/10.000 m/m d'espessor, que serveixen per donar objectes.
A continuació es detalla una llista de materials ordenats de major a menor mal·leabilitat:
Or, plata, alumini, coure, estany, platí plom, zinc ferro.
Ductilitat: es una altra varietat de la plasticitat, s'aplica aquesta denominació a la capacitat o aptitud per a la
deformació dels metalls dúctils en fils. Semblen definicions semblants però existeixen materials que són mes
dúctils que mal·leables i a l'invers.
A continuació es detalla una llista de materials ordenats de major a menor ductilitat:
Or, plata, alumini, coure, estany, platí plom, zinc ferro.
A continuació es detalla una llista de materials ordenats de major a menor ductilitat:
Or, plata, platí, alumini, ferro, coure, zinc, estany, plom.
Resistència al trencament: No es una propietat, sinó que també es el resultat d'un assaig que dóna la càrrega
necessària per unitat de secció per produir el trencament del metall assajat, els valors es donen en kg/cm2 o en
kg/mm2.
El trencament d'un metall es pot produir per tracció, compressió, torsió i per cisallament, cadascun tindrà la
resistència corresponent.
D'això en trèiem la següent formula: R = E + P
Es a dir, que la resistència al trencament R està compost de la càrrega del límit d'elasticitat E i del suplement
de la càrrega aplicada a la zona plàstica P.
A continuació es detalla una llista amb la resistència al trencament en kg/mm2 d'alguns materials:
Alumini recuit: 17; Plata: 16; Coure Recuit: 24; Níquel: 50; Ferro: 66; Acer de 0'15% de C: 40; Acer de
0'25% de C: 52; Acer de 0'35% de C: 60; Acer de 0'45% de C: 65; Acer de 0'55% de C: 72.
11
3.4.− Tenacitat. (Resistència)
Tenacitat: Són aquells materials que posseeixen elasticitat i plasticitat, per tant el
trencament d'aquest materials no es bruscament, sinó després d'haver allargat el material mes del seu límit
plàstic.
També es pot definir com la capacitat de resistència al trencament per xoc, i s'haurà de sumar el pes del
martell més l'energia cinètica d'ell mateix.
Fragilitat: Són aquells materials que no posseeixen zona plàstica, per tant el trencament es produeix de forma
brusca al rebassar el límit elàstic.
La definició es idèntica a l'anterior , doncs el xoc produeix una càrrega incontrolable i per aquesta raó, en un
xoc es fàcil rebassa aquest límit i per tant el material es trenca.
Resil·lència: Tampoc es una propietat, sinó el resultat d'un assaig amb aquest mateix nom. Es defineix com
l'energia que es consumeix en trencar una proveta de dimensions i forma determinada per mig d'un pèndul de
pes i característiques ben definides, els valors són en kgm/cm2.
Aquests valors són mes grans quan major es la tenacitat del material.
A continuació es detalla una llista amb la resil·lència en kgm/cm2 d'alguns materials:
Acer de 0'15% de C: 20; Acer de 0'25% de C: 15; Acer de 0'35% de C: 12; Acer de 0'45% de C: 8; Acer de
0'55% de C: 6.
12
3.5.− Fluència
Fluència: Actualment s'ha comprovat que tots els metalls es deformen mes o
menys lentament aplicant−los càrregues molt petites i inferiors al límit elàstic i per tant es produeix una
deformació. Hi ha tres grups de materials sensibles a la Fluència:
• Els que fonen a més de 1200ºC, que només es pot apreciar si estan a temperatures superiors a 350ºC.
• Els que fonen entre 600ºC i 1200ºC, que quasi no s'aprecia a temperatura ambient.
• Els que fonen a menys de 350ºC, com el zinc, plom que a temperatura ambient ja es nota.
Gràficament la deformació es pot representar així:
• Zona de deformació elàstica instantània.
• Zona de Fluència primària, en la qual les deformacions decreixen en funció del temps.
• Zona de Fluència secundaria, en la qual les deformacions són sensiblement proporcionals al temps.
• Zona de Fluència terciària, en la qual augmenta ràpidament les deformacions fins acabar amb el trencament
del metall.
Límit de la Fluència: Es la càrrega límit amb la que pot resistir un metall en un interval de temperatura
determinat, sense que es trenqui en un temps indefinit, per tant es una dada que no útil perquè les peces a
construir serien casi sempre inadmissibles.
3.6.− Fatiga
Fatiga: Quan un metall està exposat a esforços de magnitud i de sentit variables,
es trenca amb càrregues inferiors a la resistència i el trencament normal per a un esforç de tensió constant. Es
poden distingir tres períodes:
• incubació: s'inicia una fissura microscòpica, que no es visible a simple vista
• fisuració progressiva: la fissura anterior s'extèn i progressa per l'acció dels esforços alternats i repetits
• trencament: el metall es trenca bruscament, amb escassa deformació per la poca secció de material
que li queda
Generalment, el principi d'un trencament es superficial, pot ser per: algun punt descarburat, ratlla produïda pel
mecanitzat o canvis bruscs de secció, progressant la fissura perpendicular a les línies de força.
Està comprovat que un perfecte acabat superficial la peça suporta millor la fatiga, igual que si una peça se la
13
fa treballa per davall de les seves possibilitats mecàniques.
En el següent dibuix es pot observar que sense variar la secció, la resistència a la fatiga varia fins un 40%
depenen tan sols del disseny de la peça.
Com poden ser: els forats, les mitges canyes, les ranures, les mosses, etc.
Límit de fatiga: Es l'esforç d'una classe determinada de flexió, torsió, etc. de major amplitud que pot
aplicar−se indefinidament a un material sense produir−li un trencament.
Límit restringit de fatiga: es l'esforç d'un tipus determinat de major amplitud que pot aplicar−se a un material
per a que duri sense trencar−se un nombre de cicles determinat. Com pot ser l'acer de 0'35% de C té una
resistència a la fatiga de 22 kg/mm2, aproximadament per un milió de repeticions.
4.− Propietats tecnològiques
Es dóna aquesta denominació a les maneres de comportar−se els materials davant les maneres de ser
treballats.
El coneixement d'aquestes propietats és fonamental per a tots aquells que es dediquen al treball de la
construcció mecànica, ja que d'elles depenen les possibilitats d'obtindre una peça per mitjà d'un procediment o
d'un altre.
Hi ha tantes possibilitats tecnològiques com de mètodes de treball que s'utilitzen.
Les propietats que fan possible l'utilització d'aquests mètodes són:
4.1.−Colabilitat
És una propietat del material que els permet ser utilitzats per a la fabricació de peces per fundició.
No tots el metalls o aleacions són igualment aptes per al seu ús en l'obtenció de peces fundides, ja que uns
plenen els motlles més completament i amb major facilitat que uns altres.
A la facilitat de plenar els motlles estant el metall en estat líquid s'en diu colabilitat.
Aquesta propietat depèn d'una sèrie de condicions, entre elles la diferencia entre la temperatura colada i la
solidificació del metall. És més elevada la colabilitat com major és la diferencia entre aquestes temperatures,
la de colada i la de solidificació.
No obstant, la temperatura de colada ve limitada per la capacitat d´escalfamentdels forns, en uns casos, i per
les possibles variacions que pugui sofrir el metall fos quan la temperatura a la que s'eleva és excessiva, en
altres.
14
La colabilitat és molt variable d´uns metalls a uns altres, i per a la seva medició s'ha establert un mètode que
consisteix en colar les mostres de metall o aleació amb la colabilitat que es vulgui determinar en un motlle en
forma d´espiral de secció triangular. La colabilitat es determina per la longitud de l'espiral que el metall arriba
a omplir.
4.2.−Forjabilitat
Mitjançant la forja, s´obté la peça per deformació, estant el material a una temperatura relativament elevada,
però encara sòlid.
No tots els metalls poden sotmeter−se amb igual facilitat a un treball de forja; alguns són totalment
inadequats, ja que l´intentar forjar−los s'escarden o es trenquen. Inclòs entre els materials que es poden forjar
no tots es forjen amb igual facilitat.
Una condició essencial per a obtindre bons resultats és mantenir la temperatura del material entre el màxim i
el mínim, determinats per a cada material.
Cal tenir en compte, que encara mantenint dins d'aquests límits la temperatura, l´energia necessària i la
deformació aconseguida, són molt variables d'uns materials a altres.
Les proves per a la determinació de la forjabilitat són molt diverses. Un dels assaigs més empleats es calentar
una varilla, de secció quadrada, a la temperatura de la forja, i doblegar−la en un tirabuixó, podent medir la
forjabilitat mitjançant el nombre de voltes que es dóna sobre si mateix sense arribar a trencar−se.
4.3.− Soldabilitat
A la propietat per la que un material pot soldar−se se la denomina soldabilitat, i és variable d'uns materials a
uns altres.
Han variat molt els conceptes que es tenien d'aquesta propietat, ja que materials que eren dificils de soldar (
per exemple l'alumini i les seves aleacions ) avui es poden soldar amb facilitat.
Això fa que siguin molt variables les proves per a la determinació de la soldabilitat. Aquestes proves donen la
correcció amb la que s'executa el treball de soldadura, consistent en efectuar assaigs de resistència de les
unions soldades.
4.4.− Embutibilitat
En l'actualitat és extensament empleat el procés d'obtenció de peces de planxa per deformació d'aquestes en
fred, ja sigui manualment o en premses. Aquest tipus de treball és àmpliament empleat en calderia, fabricació
de vehicles, bateries de cuina e infinites peces auxiliars.
A la capacitat de les planxes per ser treballades per aquest mètode s'en diu
Embutibilitat.
El procés més empleat per a medir la Embutibilitat és l´anomenat assaig
d´Embutibilitat de Erichsen. Consisteix en deformar la planxa, subjecta per una mordassa especial en forma
d'anell, amb una punta de forma esfèrica produïda en la planxa abans d'arribar al trencament; i la facilitat
d´embutició, per la càrrega en Kilos necessària per a produir una determinada deformació (mida en altura de
flexa ). Aquest assaig ha estat ja acceptat com a normal en alguns països, i s'han establert les condicions que
15
deuen complir les planxes destinades a treballs d´embutició, especialment les de ferro i d´acer.
4.4.− Templabilitat
S'anomena així a la capacitat que un acer té d´endurir−se (per l'operació anomenada temple ).
Consisteix aquesta en calentar l´acer per damunt d´una determinada temperatura i refredar−lo, més o menys
ràpidament segons la qualitat de l´acer.
La prova més extensa i coneguda per a la determinació de la templabilitat,
és l'assaig de Jomini. Consisteix en refredar una proveta de forma cilíndrica calentada a la temperatura del
temple, per mig d'un chorro d'aigua, de pressió i
diàmetre constant, que es llença verticalment sobre la cara de la base del cilindre. Es medeix llavors la duresa
dels diferents punts d'una generatriu del cilindre, partint de la cara refredada, deduint−se la templabilitat dels
resultats d'aquets assaigs de duresa.
4.5.− Maquinabilitat
S'anomena maquinabilitat d'un material a la dificultat o facilitat que presenta per ser treballat amb eines
tallants.
La maquinabilitat és una qualitat relativa, i la seva determinació ofereix series dificultats. Això es degut a que
en el treball de tall del metalls intervenen un gran nombre de variables, independents del metall treballat, i la
influència de la qual sobre l'assaig no pot ser eliminada.
16