Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz TEMA 2: PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA Propiedades de los materiales Propiedades mecánicas Plasticidad es la propiedad mecánica de un material de deformarse permanentemente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su límite elástico. Elasticidad es la propiedad de un material que le hace recuperar su tamaño y forma original después de ser comprimido o estirado por una fuerza externa, al cesar dicha fuerza. Ductilidad es la capacidad de un metal para deformarse ante una fuerza de tracción y ser estirado y convertido en alambre o hilo., Maleabilidad es la capacidad del metal para deformarse y cambiar de forma cuando se martilla o lamina, para formas hojas delgadas Dureza es la oposición que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro. Resiliencia es la resistencia que opone un cuerpo a los choques o esfuerzos bruscos, sin deformarse ni romperse. Resistencia a la rotura es la oposición que opone un material a romperse ante la acción continuada de diferentes esfuerzos (tracción, compresión, flexión, torsión y cizalladura) Tenacidad es la propiedad que tienen ciertos materiales de absorber y soportar, sin romperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen. Fragilidad es la facilidad de los materiales a romperse cuando una fuerza impacta sobre ellos. Fatiga consiste en el desgaste y posterior ruptura de un objeto que , soporta cargas repetitivas, aun cuando estas cargas están por debajo de su tensión de rotura Maquinabilidad es la facilidad que ofrecen los materiales a ser mecanizados. Acritud es la propiedad que adquiere un metal que tras someterlo a deformaciones en frío, aumenta de dureza, fragilidad y resistencia a la tracción. Propiedades térmicas Conductor: es la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. Aislante; material que ofrecen una resistencia alta a la transferencia de calor Propiedades eléctricas Conductor: material que dejan traspasar a través de ellos la electricidad. Aislantes: son los que no permiten el paso de la corriente eléctrica, ejemplo: madera, plástico, etc. Ensayos de medida Ensayos de tracción: consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Se cuantifica la tensión aplicada y la deformación producida. Conceptos básicos Tensión: es la fuerza capaz de soportar un cuerpo por unidad de superficie (N/m2 ó kp/ cm2 ó kp/ mm2) 1 (1 Kp = 9,8 N) Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz Deformación: es el a alargamiento de una varilla debido a la aplicación de una fuerza F ∆L σ (Tensión) σR (TDD(TENS σSIÓN) σE σP Diagrama de tracción L0 Lf Con una máquina de tracción (mecánica o hidráulica) se somete a una muestra o probeta a una tensión de tracción creciente hasta romperla. La máquina cuantifica la tensión aplicada y la deformación producida. Al analizar los datos se diferencian diferentes zonas: Zona elástica ε (Deformación) (TDD(TENS IÓN) Zona plástica Zona elástica OE: cuando los esfuerzos cesan, el material recupera su estado inicial. - Zona proporcional OP: las deformaciones son proporcionales a los esfuerzos que los producen. En esta zona se cumple la ley de HooKe y podemos calcular el módulo de elasticidad o módulo de Young: (N/m2 ó kp/ cm2 ó kp/ mm2) - Zona no proporcional PE: las deformaciones no son permanentes, pero no hay relación entre los esfuerzos y las deformaciones Zona plástica ES: cuando cesa la fuerza, la deformación permanece. - Zona límite de rotura ER: el material sufre grandes deformaciones hasta llegar a la rotura R; en ese punto el material se considera roto aunque no se haya producido la fractura visual. - Zona de rotura RS: el material sigue alargándose hasta llegar a la rotura física Diagrama del acero σ En el acero (y en otros materiales) existe una zona llamada de fluencia, donde se da un alargamiento muy rápido sin que varíe la tensión aplicada. Este fenómeno se da justo después del límite elástico R S E F P Zona elástica 2 Zona elástico-plástica Zona plástica ε F Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz Tensión máxima de trabajo: la normativa establece un límite de carga al que debemos someter una pieza, para que el material trabaje en condiciones de seguridad. Por eso debe cumplirse: - El material no debe sufrir deformaciones plásticas - El material debe trabajar en la zona elástica de proporcionalidad, cumpliendo la ley de Hooke - Se debe contar con un margen de seguridad, por posible aparición de fuerzas imprevistas. La tensión máxima de trabajo se calcula en función de la tensión de rotura o de la tensión de fluencia: t t n=coeficiente de seguridad (suele estar entre 1,5 y 6) Ensayos de dureza. Ensayo Brinell (HB): presiona el material a medir con una bola de acero templado de diámetro D, con una fuerza F (Kp) y durante un tiempo determinado. Se utiliza para medir la dureza de materiales de poca dureza o dureza intermedia y de espesores no muy pequeños f .Se calcula la dureza en función del diámetro de la huella d Y aplicando la siguiente fórmula:. HB = dureza Brinell (Kp/mm2) F = fuerza aplicada (Kp) S = superficie del casquete de la huella (mm) = π D f D = diámetro de la bola (mm) d = diámetro de la huella (mm) f= profundidad de la huella (mm) La normativa establece que las cargas F deben cumplir F = K D2, siendo K una constante de proporcionalidad Ensayo Vickers (HV): presiona el material con una pirámide de diamante de base cuadrada cuyas caras forman un ángulo de 136º. Se utiliza para materriales muy duros y piezas muy delgadas Calcula la dureza en función de la diagonal d de la huella. 3 Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz HV = dureza Vickers (Kp/mm2) F = fuerza aplicada (Kp) S = superficie lateral de la huella (mm) = 4 b.h /2 d = diágonal de la huella (mm) PARTE QUE PENETRA 136º F l l d h Ensayos de resiliencia: se utiliza la máquina Péndulo de Charpy, que mide la energía absorbida tras la ruptura de un material por un solo golpe. Consiste en romper una probeta del material a ensayar golpeándola con un péndulo o martillo. Para facilitar el inicio de la fisura, se realiza una hendidura o entalladura en la probeta. El péndulo, de masa m, se encuentra a una altura inicial hi, por lo que tiene una determinada energía potencial antes de iniciar el ensayo Epi. Cuando se inicia el ensayo, se libera el péndulo que, tras golpear la probeta y romperla, continua con su giro, alcanzando una altura final hf, por lo que tendrá una nueva energía potencial Epf. La energía que ha absorbido la probeta durante su rotura será la diferencia de energías potenciales inicial y final. ( h i - hf ) 4 Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz Ejercicios: PAU Septiembre 2011/2012 A la vista de la siguiente gráfica tensión-deformación obtenida en un ensayo de tracción: a) Explique qué representan los puntos R y P. b) Determine el Módulo de Elasticidad de Young. c) Calcule el valor de la tensión máxima de trabajo si el coeficiente de seguridad es de 2, aplicado sobre el límite de elasticidad proporcional. d) Determine la carga máxima de trabajo si la sección de la probeta es de 140 mm2 PAU Septiembre 2009/2010 Una probeta de sección circular de 2 cm de diámetro y 10 cm de longitud se deforma elásticamente a tracción hasta que se alcanza una fuerza de 10.000 N, con un alargamiento en ese momento de 0,1 mm. Si se aumenta la fuerza en la probeta empiezan las deformaciones plásticas hasta alcanzar una fuerza de 15.000 N. Se pide: a) Tensión de rotura. b) Tensión límite elástica. c) Módulo de elasticidad. d) Dibuje el diagrama tensión-deformación (s-e) del comportamiento elástico del material. PAU Septiembre 2009/2010 a) Dado el diagrama característico de tracción del acero de la figura indique las zonas o puntos característicos. b) Enuncie la ley de comportamiento elástico y diga en qué parte del diagrama es válida dicha ley c) Indique qué es la fluencia y en qué parte del diagrama se produce. 5 Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz PAU Junio 2009/2010 Defina brevemente las siguientes propiedades que presentan los compuestos metálicos: a) Elasticidad b) Tenacidad c) Maleabilidad d) Dureza PAU Junio 2009/2010 a) Se dispone de una varilla metálica de 1 m de longitud y una sección de 17,14 mm2 a la que se somete a una carga de 200 N experimentando un alargamiento de 3 mm ¿Cuánto valdrá el módulo de elasticidad del material de la varilla? b) ¿Con qué fuerza habrá que traccionar un alambre de latón de 0,8 mm de diámetro y 1,1 m de longitud para que se alargue hasta alcanzar 1,102 m, siendo E = 90.000 N/mm2? PAU Junio 2008/2009 Si a una pieza con una constante de proporcionalidad k = 20 kp/mm2 se le somete a un ensayo de dureza Brinell, con un diámetro de la bola de 8 mm, se produce una huella con un diámetro de 3 mm. Calcule: a) La carga aplicada b) El área del casquete esférico que se produce. c) El grado de dureza Brinell. PAU Septiembre 2007/2008 a) Describa los ensayos más adecuados para determinar la dureza de un material b) Una pieza es sometida a un ensayo de dureza por el método Vickers. Sabiendo que la carga empleada es de 200 N y que se obtiene una huella cuya diagonal es igual a 0,260 mm, calcule la dureza Vickers de la pieza. Datos: 1 kp = 9,8 N PAU Septiembre 2007/2008 Se somete una probeta de sección cuadrada de 3 cm de lado y 25 cm de longitud a un ensayo de tracción de 10.000 N, alcanzándose un alargamiento de 4,6·10-3 cm. La tensión de rotura del material es de 11.500 N/cm2. Si el material muestra un comportamiento elástico, determine: a) La tensión y la deformación unitaria en el momento de aplicar la fuerza b) El módulo de elasticidad del material c) La fuerza que debe aplicarse para que la deformación unitaria sea de 1·10-4 d) El coeficiente de seguridad para la carga aplicada PAU Septiembre 2003/2004 Tras someter a una pieza a ensayo Vickers con una carga de 20 Kp se obtiene una huella en la que cada uno de los triángulos que la componen tienen una altura h = o,2 mm y una base b= 0,37 mm. a) Indique la forma de la huella b) Calcule la superficie lateral de la huella c) Determine la dureza Vickers de la pieza d) ¿Qué ventajas representa este ensayo respecto al Brinell? PAU Junio 2003/2004 a) Defina la resiliencia e indique y explique como se realiza un ensayo característico paa medirla b) Describa en qué consiste el fenómeno de la fatiga de un material 6