METALES Introducción
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Ensayo de Materiales Laboratorio de Ensayo de Materiales UNT ENSAYO DE MATERIALES METALES Generalidades Propiedades ENSAYO DE MATERIALES Introducción: Generalidades Los metales poseen ciertas propiedades que los caracterizan y que denominamos propiedades metálicas. • Brillo característico o metálico • Alta conductividad térmica. • Alta conductividad eléctrica • Elevada resistencia mecánica • Pueden deformarse sin romperse El carácter metálico se debe a la facultad de perder los átomos periféricos llamados electrones de valencia. Los metales en general poseen 1, 2, 3 o 4 electrones de valencia, débilmente unidos al núcleo, y ante cualquier excitación responden poniéndose en movimiento o formando una nube de electrones. Podemos explicar así la alta conductividad eléctrica, la facilidad para deformarse por la aplicación de cargas sin romperse, etc. ENSAYO DE MATERIALES Introducción: Generalidades Los cuerpos sólidos se presentan en dos estados fundamentales: • Estado cristalino: los átomos se agrupan ordenadamente obedeciendo a leyes geométricas determinadas y guardando, sus posiciones, ciertas relaciones de simetría. • Estado amorfo: los átomos se agrupan al azar, sin que tengan relación alguna la posición de uno de ellos con las de los demás. Por la distribución geométrica ordenada de los átomos en los cuerpos cristalinos, la materia se halla desigualmente distribuida, según la dirección que se considere, por lo que los cuerpos cristalinos son propiedades en distintas direcciones. anisótropos: distintas Por el contrario los cuerpos amorfos son isótropos. ENSAYO DE MATERIALES Introducción: Generalidades Al solidificar los metales lo hacen alrededor de ciertos núcleos, y cada uno de estos da lugar a un cristal o grano. Un metal sólido está constituido por un sinnúmero de cristales, iguales en su estructura, pero de diferentes tamaños, configuración externa y sobre todo en la orientación. Por tal motivo, su comportamiento frente a diferentes solicitaciones es similar, y por lo tanto se considera cuasi isótropo. Debemos, entonces, conocer la estructura de cada grano, que en el caso de los metales son sólo tres: • red cúbica de caras centradas • red cúbica de cuerpo centrado • red hexagonal compacta. ENSAYO DE MATERIALES Introducción: Generalidades Cúbico de cuerpo centrado Estudio de Materiales II Introducción: Generalidades Cúbico de cara centrado ENSAYO DE MATERIALES Introducción: Generalidades Hexagonal ENSAYO DE MATERIALES Introducción: Propiedades Mecánicas Las más importantes propiedades de los metales son aquellas que definen su comportamiento cuando son sometidos a la acción de una carga exterior de cualquier naturaleza. Nos permitirán conocer su aptitud para: • Resistir cargas sin deformarse y • Poder deformarse sin romperse. El comportamiento mecánico de un metal dependerá de su naturaleza, de su condición y de su estado, pero también dependerá de la naturaleza y condición de los esfuerzos a que se encuentre sometido y de la temperatura. El estudio de las propiedades mecánicas exige examinar los efectos que una carga produce en un metal, para definir y clasificar por sus alteraciones las propiedades mecánicas de una manera general. ENSAYO DE MATERIALES Acción de una Carga sobre un Metal Al estar los metales constituidos por agrupaciones de granos cristalinos, los átomos se hallarán distribuidos en la red cristalina con arreglo a determinada ordenación, propia del metal, y por el equilibrio de las fuerzas de atracción y repulsión se tendrá un sistema con energía mínima. Al actuar una fuerza externa, aparecen tensiones interiores, a través de las cuales se transmite a todos los átomos, rompiendo el equilibrio de fuerzas existentes, desplazándolos de sus posiciones de equilibrio. Las fuerzas de atracción y repulsión varían inversamente con la distancia, pero con distintas leyes. Y los átomos se desplazarán lo suficiente para que la diferencia entre ellas contrarresten las tensiones desarrolladas por el esfuerzo aplicado. Entonces, la acción de la carga engendra en el metal un estado de tensiones que la contrarresta. Y el efecto de la carga es producir una deformación en el cuerpo. ENSAYO DE MATERIALES Deformación elástica y plástica El estado de tensión creado por la aplicación de una carga es, energéticamente inestable (más elevado) y al desaparecer la causa los átomos recuperarán sus posiciones iniciales y por lo tanto el cuerpo retomará su forma y dimensiones originales. Esta deformación se denomina naturaleza transitoria. elástica y se caracteriza por su Cuanto mayor sea la carga, mayor tendrá que ser el estado de tensiones y, por lo tanto mayores deberán ser los desplazamientos atómicos y la deformación sufrida por el metal. Teóricamente las deformaciones son proporcionales a las cargas durante todo el período elástico (LEY DE HOOKE). Este incremento del estado de tensión no puede desarrollarse indefinidamente. Al alejarse excesivamente los átomos de sus vecinos, se rompen los enlaces atómicos de la red y el cristal o grano se fragmenta. ENSAYO DE MATERIALES Deformación elástica y plástica Entonces, pueden suceder una de dos: • la cohesión se restablece entre dos fragmentos cristalinos nuevos enlaces • la ruptura de enlaces es definitiva. En el primer caso tenemos característica de los metales. En el segundo el metal se granos. deformación plástica. romperá, Es una por rotura de sus diversos ENSAYO DE MATERIALES Deformación elástica y plástica Enlaces originales = estado de menor energía Nuevos Enlaces = deformación plástica Enlaces originales, desplazados = deformación elástica Enlaces rotos = rotura del metal El término de la deformación elástica es la deformación plástica o la rotura. ENSAYO DE MATERIALES Deformación elástica y plástica Entonces podemos decir que las propiedades mecánicas son las propiedades de los metales que afectan la capacidad de resistencia que opone el metal a su deformación o rotura, y las denominamos resistencia; y las que expresan su capacidad para sufrir deformaciones antes de su rotura, y que denominamos deformabilidad. De la combinación de ambos conceptos surge un tercero, que se refiere al trabajo desarrollado por el metal en su proceso de deformación y rotura, que denominamos tenacidad. ENSAYO DE MATERIALES Resistencia resistencia a la deformación resistencia a la rotura. Hablaremos de la y la Al ser la deformación elástica simplemente una ruptura del estado de equilibrio entre las fuerzas interatómicas, no podemos decir que exista una resistencia a la deformación elástica. Solamente hablaremos de la resistencia que opone el metal para lograr una determinada deformación elástica. Como en este estado las tensiones y las deformaciones son proporcionales, la constante de proporcionalidad se denomina módulo de elasticidad. La carga máxima, a partir de la cual, por romperse algunos enlaces, límite elástico constituye la verdadera resistencia a la deformación del metal. comienza la deformación plástica se denomina y ENSAYO DE MATERIALES Resistencia En la deformación plástica, el metal mantiene su cohesión, hasta que, al aumentar la carga, ésta se destruye. Este límite se denomina resistencia a la rotura. La rotura se puede alcanzar también si deformación plástica. En tal caso la resistencia a la rotura es igual a la resistencia a la deformación. La resistencia, en todos sus aspectos, varía con las modalidades de aplicación de las cargas: • Resistencia en caliente • Resistencia con carga permanente o a la fluencia • Resistencia con carga variable o fatiga • Etc. ENSAYO DE MATERIALES Deformabilidad El concepto de capacidad de deformación puede tener dos acepciones: 1. Ser susceptible a tener deformaciones y 2. Cantidad de deformación que puede lograr sin rotura Deformación Elástica 1. El metal siempre se deforma elásticamente. 2. La cantidad de deformación elástica se denomina elasticidad. Es la magnitud de la deformación cuando se aplica una carga igual al límite elástico. (No hay que confundir con límite elástico) Deformación Plástica 1. Si es posible que se deforme plásticamente antes de la rotura, se denomina plasticidad. 2. La cantidad de deformación plástica que puede sufrir el metal antes de romperse se denomina ductilidad (Ensayo de tracción), o maleabilidad (Compresión: martillado, laminado, etc.) ENSAYO DE MATERIALES Deformabilidad Nota: PLASTICIDAD La plasticidad exige que el límite elástico sea menor que la cohesión del metal, ya que así el metal podrá deformarse antes de la rotura. Como la naturaleza de las cargas influye poderosamente en la manifestación del límite elástico y no en la cohesión, tendremos que un mismo metal se puede deformar plásticamente antes de romperse con unas cargas y romperse sin deformación plástica con otras. Entonces, la plasticidad expresa el grado de aptitud del metal para deformarse antes de romperse. La falta de esta aptitud se denomina fragilidad, que significa la aptitud del metal a romperse sin deformación plástica previa. No hay que confundir fragilidad con debilidad del metal, ya que éste puede ser muy frágil y tener una elevada resistencia. ENSAYO DE MATERIALES Tenacidad Hemos dicho que es el trabajo que desarrolla un metal en su proceso de deformación hasta la rotura. O sea que es la capacidad de absorber una energía mecánica (ej.: acciones de choque), en forma de trabajo de deformación. La tenacidad puede ser elástica, plástica o total, pero como hemos visto que la deformación elástica es muy pequeña en los metales, se comprende como tenacidad a la plástica, por lo que dependerá de la plasticidad, la ductilidad y de la resistencia del metal. Entonces un metal frágil, al no deformarse plásticamente, no puede ser tenaz, y al menor choque se rompe, por la falta de capacidad para absorber su energía. Y de aquí nace la confusión de considerar débiles a los materiales frágiles ya que se confunde resistencia con tenacidad, que aunque están relacionados, expresan fenómenos distintos. ENSAYO DE MATERIALES Ensayo de Tracción Es el ensayo que mayor información nos brinda sobre las propiedades mecánicas de un metal. Deformación Elástica Tomada la probeta entre dos mordazas, inmediatamente que comenzamos a aplicar la carga, aparecen las deformaciones elásticas, las que al cesar la carga, desaparecen y la probeta recobra la longitud inicial. A medida que aumentamos la carga, aumenta la deformación y en este período, las deformaciones son proporcionales a las cargas que las originan. Esto continua hasta que alcanzamos una carga en la que, la descargar la probeta, una parte de la deformación se recupera, quedando deformaciones residuales. La mayor carga que no produce deformación residual o plástica, hemos denominado límite elástico. ENSAYO DE MATERIALES Deformación Plástica: Acritud A partir del límite elástico, al aumentar la carga, las deformaciones aumentan más rápidamente y al cesar la carga estas deformaciones subsisten. Entramos en la zona elastoplástica. Es posible observar que cuando la resistencia a la deformación del metal es inferior a la carga aplicada, el metal deformándose aumenta su resistencia hasta contrarrestar dicha carga. Se desprende de esto que la plasticidad en los metales se caracteriza porque toda deformación producida provoca un aumento de la resistencia, tanto mayor cuanto mayor es esta deformación. Este fenómeno se conoce como acritud. De no ser por ella, al entrar en el período plástico, el metal continuaría deformándose sin necesidad de incremento de carga. La acritud, al incrementar la resistencia del metal, obliga a aumentar el esfuerzo para continuar la deformación. ENSAYO DE MATERIALES Deformación Plástica: Acritud a Límite elástico Carga Acritud Carga Descarga Descarga e tg = E tg = E e p Ta Diagramas Tensión - Deformación ENSAYO DE MATERIALES Rotura El proceso descrito tiene un límite. Si continuamos aumentando la carga, observaremos que se alcanza un máximo, a partir del cual un aumento de la deformación provoca una disminución de la resistencia de la probeta. Todo intento de aumentar la carga, conduce a nuevos alargamientos, pero se observa en la aguja de carga, que ésta ha descendido. La máxima resistencia a la deformación que alcanza la probeta corresponde a la máxima carga que puede soportar. A partir de esta carga, el metal cede y sobreviene la rotura Deformación de la probeta El alargamiento en el período plástico no es homogéneo durante todo el proceso, sino que tiene dos fases: 1. Deformación uniforme en toda la longitud: corresponde al aumento de la resistencia a la deformación, reducción de la sección uniforme. 2. Alargamiento localizado: corresponde al descenso de la resistencia a la deformación, reducción de la sección localizada: estricción ENSAYO DE MATERIALES Diagrama Tensión - Deformación b a Los metales, en general no tienen un límite elástico definido, pero debido a la acritud, podemos lograrlo. Si descargamos en a y volvemos a cargar, tendremos un nuevo diagrama que será el a’-a y después seguirá al original, apareciendo un límite elástico definido en a. Si ahora descargamos en b, y volvemos a cargar, el nuevo diagrama será b’-b y continúa por el original. Esto hace que fenómeno de la acritud sea de mucha importancia para nosotros, como se verá. a’ a” b’ b” ENSAYO DE MATERIALES Diagrama Tensión - Deformación 1 2 3 Carga máxima Rotura 1.- Zona elástica Límite elástico 2.- Zona elastoplástica 3.- Zona plástica tg = E T ENSAYO DE MATERIALES Diagrama Tensión – Deformación: HIERRO En el hierro las cosas son diferentes. Hasta alcanzar determinado valor no aparecen deformaciones plásticas y al sobrepasar ligeramente el límite elástico, el metal se deforma repentinamente, descendiendo su resistencia, que no vuelve a aumentar hasta que cierta deformación se ha producido. b d c a a’ Hasta el punto a, ligeramente superior al límite elástico, las deformaciones son proporcionales a las cargas. Luego de este punto el metal cede o fluye y la curva desciende hasta a’, en que empieza de nuevo a aumentar siguiendo la marcha normal. El punto a se denomina punto de fluencia. d” d’ Si cargamos hasta d y descargamos, al volver a cargar veremos que se modificó el límite elástico (ahora es d), y desapareció la fluencia. ENSAYO DE MATERIALES Diagrama Tensión – Deformación: STEAD f do di do Diagrama teniendo en cuenta la reducción de la sección Diagrama sin tener en cuenta la reducción de la sección f Zona de estricción Zona elástica Def. homogénea Zona plástica Cuando hacemos un dia*grama Carga - Alargamiento (Tensión-Deformación), no estamos teniendo en cuenta la reducción de la sección en cada instante por el alargamiento que sufre (curva celeste). Stead propone un gráfico en donde se grafica en ordenadas, la carga referida a la sección en cada momento, y en abscisas la reducción del diámetro. Así se obtiene la curva verde. En el primer tramo coinciden, ya que en la zona elástica la reducción de la sección es muy pequeña. ENSAYO DE MATERIALES Diagrama Tensión – Deformación Como se puede apreciar en el gráfico anterior, el esfuerzo real, es siempre creciente hasta la rotura y como este esfuerzo es la resistencia a la deformación, vemos que ésta y por lo tanto la acritud crecen durante todo el proceso de la deformación plástica. Al principio la resistencia a la deformación aumenta muy rápidamente, o sea pequeñas deformaciones dan lugar a grandes acritudes, pero al aumentar la deformación el aumento de resistencia es menos intenso, hasta que se hace prácticamente constante. Pero, aunque a menor ritmo, la acritud sigue creciendo hasta la rotura del metal. f ENSAYO DE MATERIALES BIBLIOGRAFÍA de CONSULTA: METALES Y ALEACIONES. Tomo II. Autor: Rafael Calvo Rodés. Editorial: Instituto Nacional de Técnica Aeronáutica Esteban Terradas.
