al es i pe c s E G r u po za ali do de M i er at UEx I: M/Al2OTEMA 3 INTRODUCCIÓN A LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Asignatura: PROPIEDADES MECÁNICAS I Titulación: Ingeniero de Materiales Tipo: Troncal Curso: 4º Cuatrimestre: 1º Créditos: 4.5 (3T+1.5P) Foro: http://materiales.unex.es/foro Página Web: http://materiales.unex.es/docencia/PMI.html Pedro Miranda González Profesor Contratado Doctor. Departamento de Ingeniería Mecánica, Energética y de los Materiales. Escuela de Ingenierías Industriales. Universidad de Extremadura. Avda. de Elvas s/n. 06071 Badajoz. SPAIN. pmiranda@unex.es al es i pe c s E G r u po za ali do de M i er at UEx I: M/Al2OTEMA 3 INTRODUCCIÓN A LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Esquema: 1.1.- Importancia de las propiedades mecánicas. 1.2.- Ensayo uniaxial. Curvas tensión-deformación nominal. 1.3.- Curva tensión-deformación real. 1.4.- Magnitudes importantes. 1.5.- Influencia de la temperatura y velocidad de deformación. Tema I: Introducción a las Propiedades Mecánicas 1.1. Importancia de las propiedades mecánicas. Propiedad mecánica: “Una propiedad mecánica es cualquier magnitud que caracteriza la respuesta de un material ante la aplicación de fuerzas externas” Aplicaciones donde las propiedades mecánicas son esenciales Aproximaciones al estudio de las propiedades mecánicas: • Enfoque ingenieril: macroscópico. Estudio del material como un medio homogéneo e isótropo sobre el que actúan fuerzas y que responde a ellas en función de una serie de parámetros mecánicos conocidos. • Enfoque científico: microscópico. Estudio de la relación estructura-propiedades mecánicas: entender el porqué de cada parámetro mecánico. Tema I: Introducción a las Propiedades Mecánicas 1.2. Ensayo uniaxial. Curvas tensión-deformación nominal. Ejemplo de una curva carga-desplazamiento en un ensayo de tracción Esquema de una máquina de ensayos uniaxial Tema I: Introducción a las Propiedades Mecánicas 1.2. Ensayo uniaxial. Curvas tensión-deformación nominal. 1.2.1. Curvas tensión-deformación nominal Inicio de la estricción Se observan claramente 3 regímenes: Tensión nominal Régimen elástico: Deformaciones reversibles (elásticas). Linealidad entre deformación y tensión Fractura final εpl εel Deformación nominal Ejemplo de una curva tensión-deformación nominal en un ensayo de tracción Régimen plástico: Deformaciones irreversibles (plásticas). Endurecimiento por deformación (acritud). Fractura: Tras la estricción las tensiones nominales se reducen progresivamente y finalmente la probeta rompe. Tema I: Introducción a las Propiedades Mecánicas 1.2. Ensayo uniaxial. Curvas tensión-deformación nominal. 1.2.2. Estricción Ejemplo de probeta metálica tras la estricción en un ensayo de tracción ε < εTS ε > εTS Tema I: Introducción a las Propiedades Mecánicas 1.2. Ensayo uniaxial. Curvas tensión-deformación nominal. 1.2.3. Ejemplos de curvas tensión-deformación nominal de materiales reales. Metales Polietileno Bandas de Lüders Estricción estable (fluencia) Estricción Acero Estricción inestable Tema I: Introducción a las Propiedades Mecánicas 1.3. Curvas tensión-deformación real. Suponiendo volumen constante durante la deformación ( L0 A0 deformación reales vienen dadas por: F σ= Ai L0 A0 = Li Ai dε = = FLi L = σ n i = σ n (1 + ε n ) L0 A0 L0 dL L ⇒ ε = ln i = ln(1 + ε n ) Li L0 = Li Ai ) la tensión y σ = σ n (1 + ε n ) ε = ln(1 + ε n ) Tema I: Introducción a las Propiedades Mecánicas 1.3. Curvas tensión-deformación real. 1.0 • Las curvas reales son independientes d el tipo de ensayo (tracción-compresión) o de la probeta utilizada: la curva es única y característica de cada material. 0.8 Deformación real, ε • Es posible aproximar los valores reales por los nominales para deformaciones inferiores al 10% ε = εn 0.6 ε = ln(1+εn) 0.4 0.2 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Deformación nominal, εn σn Estricción Fractura Tracción Curva Nominal Compresión εn σ y ε en el centro del estrechamiento Compresión Curva real Tema I: Introducción a las Propiedades Mecánicas 1.3. Curvas tensión-deformación real. Determinación del punto de inicio de estricción en una curva tensión-deformación real: dσ n dε n =0 ε = ε TS ⎧ dσ = dσ n (1 + ε n ) + σ n dε n ⎫ ⎪ ⎪ dε n ⎨ ⎬ dε = ⎪⎩ ⎪⎭ (1 + ε n ) ⇒ dσ dσ n = (1 + ε n ) 2 + σ n (1 + ε n ) dε dε n ⇒ dσ dε =σ ε = ε TS Inicio de estricción Pendiente, Tema I: Introducción a las Propiedades Mecánicas 1.4. Magnitudes importantes. 1.4.1. Régimen Elástico. La pendiente es el módulo elástico, E Inicio de la estricción Fractura final Tensión de límite elástico proporcional al 0.1%, σ0.1% Tensión de límite elástico,σy 0.1% deformación plástica Deformación plástica a fractura, εf (ductilidad) Resistencia a la tracción, σTS Tema I: Introducción a las Propiedades Mecánicas 1.4. Magnitudes importantes. 1.4.2. Régimen Plástico. La pendiente es el módulo elástico, E Inicio de la estricción Fractura final Tensión de límite elástico proporcional al 0.1%, σ0.1% Tensión de límite elástico,σy 0.1% deformación plástica Deformación plástica a fractura, εf (ductilidad) Resistencia a la tracción, σTS Tema I: Introducción a las Propiedades Mecánicas 1.4. Magnitudes importantes. 1.4.2. Régimen Plástico. σ = Kε n log σ Modelo de Ludwick: n (coeficiente de acritud o de endurecimiento) Ritmo de acritud: log K σ dσ = nKε n −1 = n ε dε 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 log ε Relación entre el parámetro de endurecimiento y la deformación real en el inicio de estricción: dσ ⎫ = nKε n −1 ⎪ ddσε =σ n −1 n dε ⎬ ⎯⎯⎯→ nKε est = Kε est ⇒ σ = Kε n ⎪⎭ n = ε est = ln(1 + ε TS ) 1.0 Tema I: Introducción a las Propiedades Mecánicas 1.4. Magnitudes importantes. 1.4.3. Fractura. La pendiente es el módulo elástico, E Inicio de la estricción Fractura final Tensión de límite elástico proporcional al 0.1%, σ0.1% Tensión de límite elástico,σy 0.1% deformación plástica Deformación plástica a fractura, εf (ductilidad) Resistencia a la tracción, σTS Tema I: Introducción a las Propiedades Mecánicas 1.4. Magnitudes importantes. 1.4.3. Fractura. Ductilidad: - Deformación a fractura: - Reducción de área a fractura: Energía plástica almacenada antes de la fractura Tema I: Introducción a las Propiedades Mecánicas 1.4. Magnitudes importantes. Valores típicos de las magnitudes estudiadas en materiales reales Módulos elásticos: Tensión de límite elástico, resistencia a tracción y ductilidad a tracción: Tema I: Introducción a las Propiedades Mecánicas 1.4. Influencia de la temperatura y de la velocidad de deformación. T1 T2 T3 T3 >T2 >T1 Modificación del modelo de Ludwick: σ = Kε nε& m