TEMA 2: Materiales metálicos. Propiedades (curso 2015-16)

Tema 2: Propiedades de los Materiales
Metálicos.
1.
2.
3.
4.
Propiedades mecánicas.
Mecanismos de deformación (Defectos).
Comportamiento elasto-plástico.
Comportamiento viscoso (fluencia y
relajación).
5. Comportamiento dinámico: impacto y fatiga.
6. Mecanismos de fractura en metales
MATERIALES II
Curso 2015-2016. Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara
Profesor Gonzalo Barluenga Badiola
Mecanismos de deformación
(Escala microscópica)
• La respuesta mecánica de los materiales bajo carga se
puede explicar desde una escala atómica.
• Un material descargado tiene sus átomos en equilibrio
por acción de las fuerzas electromagnéticas (enlaces).
• Al cargar el material, los átomos se juntan o se separan,
aumentando las fuerzas interatómicas (repulsión o
atracción ) y produciendo tensiones.
• A esta escala, todos los materiales muestran una
tensión proporcional a la deformación (E es constante y
se denomina Módulo de Elasticidad teórico).
Mecanismos de deformación
(Escala macroscópica)
• La existencia de defectos en los materiales
(dislocaciones, fisuras, poros) modifican su
comportamiento mecánico a escala macroscópica.
• A esta escala, la tensión no es proporcional a la
deformación (E no es constante, salvo para tensiones
muy bajas).
• Además, los materiales con estructura amorfa
presentan comportamientos diferentes a los cristalinos.
• Se pueden distinguir varios tipos de mecanismos de
deformación.
Características derivadas de los defectos
• Los defectos puntuales:
Aumentan la resistencia (traban las dislocaciones).
Disminuyen la conductividad eléctrica y térmica.
• Los defectos lineales:
Disminuyen la resistencia.
Aumentan la ductilidad y la plasticidad.
• Los defectos superficiales:
Influyen en la adherencia, corrosión, dureza, brillo, etc.
Fronteras de grano: cortan el desplazamiento de dislocaciones.
Mecanismos de deformación
(Escala macroscópica)
Microestructura cristalina (cobre)
Microestructura
cristalina
(metales)
Tipos de Mecanismos de deformación
• Los principales mecanismos de deformación son tres:
Deformación elástica
Deformación plástica
Deformación viscosa
• Se trata de mecanismos teóricos que, aunque no se dan
puros en la realidad, permiten estudiar y analizar los
materiales.
• Estos mecanismos se suelen combinar (elasto-plástico,
visco-elástico, etc.)
Comportamiento elástico
• La deformación instantánea producida por la carga es
recuperable (vuelve a su forma original al cesar la
carga).
• Si además cumple la Ley de Hooke, es elástico lineal.
• Esta proporcionalidad entre σ y ε se cumple hasta un
valor de tensión límite, llamado Límite elástico (σ0).
• La deformación hasta este punto es elástica (εel).
σ0
σ0
E=
= tanθ
ε el
σ
θ
εel
ε
Comportamiento plástico (metales)
• La deformación instantánea del material aumenta a
tensión constante.
• La deformación es no recuperable y reversible
• Aparece combinado con un comportamiento elástico
previo (elasto-plástico), una vez alcanzado el Límite
elástico (σ0) (también llamado Límite de cedencia).
εpl
σ0
ε total = ε el + ε pl
σ
θ
εel
εel
εtotal
ε
Comportamiento mecánico metales
Límite elástico de materiales
• En los materiales “reales”, el σ0 se calcula referido al
Módulo de Young en el origen de la gráfica tensión /
deformación, referido a una ε de 0,002 (0,2 %).
Ductilidad, Tenacidad y Resiliencia
• La Ductilidad o Deformabilidad es la capacidad de
deformación hasta rotura de un material.
• El área bajo la gráfica σ/ε es la Energía absorbida por
el material en la fase de carga. Depende de la velocidad
de carga:
• Tenacidad: energía de deformación absorbida por el
material hasta rotura, bajo una carga lenta.
• Resiliencia: energía de deformación absorbida por el
material hasta rotura, bajo una carga rápida (impacto).
• El área bajo la gráfica σ/ε en la fase de descarga es la
Energía devuelta. La diferencia (Eabs-Edev) es la Energía
disipada por el material
Comportamiento plástico (metales)
Orientación de los granos de un metal por tensiones de tracción
Descargado
Cargado
Los granos se orientan en la dirección de la tensión, deformándose.
Para que uno se deforme, los adyacentes deben deformarse también.
Endurecimiento
• Se trata de modificar el material, para que resista
mayores tensiones.
• Procedimientos:
- Reducción del tamaño de los granos (dificulta la
orientación de los granos y reduce la deformación).
- Incorporación de impurezas (aleaciones).
- Deformación en frío: aumenta el límite elástico.
• En general, los procesos de endurecimiento reducen la
ductilidad del material.
Endurecimiento por deformación
Incremento del
límite elástico
Carga
Recarga
Descarga
Deformación elástica (recuperable)
Comportamiento viscoso
• La deformación diferida del material aumenta bajo
carga constante a lo largo del tiempo y sin alcanzar σ0.
• Se diferencia del comportamiento plástico porque:
- Depende del tiempo.
- No se supera el Límite elástico del material.
• Se puede decir que el material sólido en tensión “fluye”
como un líquido con elevada viscosidad.
• Se manifiesta asociado a los comportamientos
anteriores: visco-elástico y visco-elasto-plástico.
Fluencia y Relajación
• Son fenómenos producidos por el comportamiento
viscoso de los materiales (a largo plazo).
• Fluencia: aumento de la deformación en el tiempo de
un material sometido a tensión constante.
• Relajación: reducción de la tensión de un material en el
tiempo sometido a una deformación constante.
P
P
∆ε
σi > σf
ti = 0
tf = n
Fluencia
Relajación
Fluencia
Curva de deformación por fluencia bajo carga constante
(Material con comportamiento visco-elasto-plástico)
Comportamiento frente a acciones dinámicas
• La respuesta mecánica de los materiales depende de la
velocidad de carga y del número de repeticiones.
• Normalmente los materiales muestran mayor
resistencia al aumentar la velocidad de carga
(impactos).
• Se distinguen tres parámetros de caracterización:
Resistencia a impacto: aplicación de una carga muy
rápida. El material responde absorbiendo energía
(Resiliencia).
Fatiga: aplicación de cargas repetidas inferiores a la
resistencia estática y repetidamente hasta rotura. La
rotura se produce a tensiones inferiores a la resistencia
estática.
Amortiguamiento: Capacidad de disipación de energía.
Fatiga
• Definición: fenómeno de reducción de la resistencia de
los materiales cuando se le aplican solicitaciones
repetidas inferiores a la resistencia estática.
• Afecta a todos los materiales.
• Se produce por el crecimiento de defectos existentes
en los materiales (fabricación, procesado, etc.)
• Produce la rotura por la repetición de la carga y no por
la duración (no confundir con fluencia).
• Para algunos materiales, hay un valor por debajo del
cual no hay fatiga (Límite de fatiga).
Fatiga
Fatiga
Fatiga
Fatiga
• El tipo de carga aplicada y la intensidad condicionan el
límite de fatiga.
• Tipos de cargas:
ALTERNATIVAS: invierten el signo de la acción
(tracción y compresión).
INTERMITENTES: van desde cero a un máximo cada
periodo, pero siempre con el mismo signo.
PULSATORIAS: varían entre dos valores, distintos de
cero, pero del mismo signo.
Fatiga
Ensayos de comportamiento dinámico
• La resistencia de los materiales depende de la
velocidad de carga y del número de repeticiones.
• Ensayos de impacto: Se aplica una carga muy rápida
(impacto), se mide la deformación producida y se
calcula la Resiliencia (energía absorbida).
• Ensayos de fatiga: cargas repetidas inferiores a la
resistencia estática y repetidamente hasta rotura.
La rotura se produce después de un número de ciclos.
Se repite el ensayo para diferentes cargas.
• Algunos materiales presentan una Ley de fatiga
(resistencia bajo cargas repetidas < bajo carga estática)
Ensayos de impacto
Probetas ensayadas a impacto
Péndulo de Charpy
Ensayos de impacto
Ensayos de fatiga
Mecanismo de ensayo
de fatiga a tracción
Gráfica de ensayo de un
material con límite de fatiga
Mecanismos de fractura
• Los materiales tienen una capacidad de soportar
tensiones limitada, llamada Resistencia mecánica.
• La Fractura es el fallo de un material cuando se supera
su capacidad mecánica (se produce la rotura).
• La estructura y composición de un material, junto con
los defectos (dislocaciones, fisuras, poros) determinan
la capacidad mecánica y el tipo de fractura.
• La fractura depende de otros factores:
(velocidad de carga y tiempo de aplicación, historia de
carga, repetición de la carga, estado tensional del
material).
Tipos de fractura
• Están relacionados con los mecanismos de deformación:
Frágil: baja deformación en rotura (elástico).
Dúctil: alta deformación en rotura (muy plástico).
Por fluencia: rotura por deformación diferida (viscoso).
Por fatiga: cargas repetidas inferiores a σmáxima.
Frágil
Poco dúctil
Dúctil
Por Fluencia
Ensayo de resistencia a tracción (metales)
Ensayo de resistencia a tracción (fractura)
Ensayos de fatiga
metales (fractura)
Ensayos de fluencia
(largo plazo)
Resumen de comportamiento mecánico
Deformación
Dependencia
del tiempo
Recuperable
Tipo de
fractura
Elástica
NO
SI
Frágil
Plástica
NO
NO
Dúctil
Viscosa
SI
NO
Fluencia
Visco-elástica
NO (depende
de la
repetición de
carga)
Parcialmente
Fatiga
Tema 2: Propiedades de los Materiales
Metálicos.
1.
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3.
4.
Propiedades mecánicas.
Mecanismos de deformación (Defectos).
Comportamiento elasto-plástico.
Comportamiento viscoso (fluencia y
relajación).
5. Comportamiento dinámico: impacto y fatiga.
6. Mecanismos de fractura en metales
Glosario de conceptos del Tema
•Mecanismos de
deformación
•Endurecimiento
•Comportamiento
dinámico
•Influencia de los defectos
•Endurecimiento por
deformación
•Impacto
•Deformación elástica
•Deformación viscosa
•Fatiga
•Límite elástico
•Fluencia
•Cargas dinámicas
•Deformación plástica
•Relajación
•Ley de fatiga
•Ductilidad
•Ensayos mecánicos
•Límite de fatiga
•Tenacidad
•Ensayos dinámicos
•Resiliencia
•Mecanismos de fractura
•Tipos de fractura
Bibliografía de consulta recomendada.
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Callister, W.; Ciencia e ingeniería de
materiales, Ed. Reverté, 1995.
Smith, W.; Fundamentos de ciencia e
ingeniería de los materiales, Ed. McGraw-Hill,
1998.
Askeland, D.; Ciencia e Ingeniería de los
Materiales, Ed. Thomson, 1998.