domingo, 31 de enero de 2016





PROPIEDADES MECÁNICAS




Las propiedades mecánicas de un material describen el modo en que este responde a la aplicación de una fuerza o carga. Solamente se pueden ejercer tres tipos de fuerzas mecánicas que afecten a los materiales: compresión, tensión y cizalla. En la figura se muestra la acción esas tres fuerzas:



Los tres tipos de tensión



Las prue­bas mecánicas consideran estas fuerzas por separado o combinadas. Las pruebas de tracción, compresión y cizalla sirven sola para medir una fuerza, mientras que las de flexión, impacto y dureza implican dos o más fuerzas simultáneas.



Resistencia a la tracción y elongación de rotura




La resistencia a la tracción o tenacidad es el máximo esfuerzo que un material puede resistir antes de su rotura por estiramiento desde ambos extremos con temperatura, humedad y velocidad especificadas.
El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente.




Dispositivo para ensayo de tracción



Probeta y mordazas



Máquina para ensayo de tracción



Probetas normalizadas


Elongación o extensión es el máximo esfuerzo de tracción a que un material puede estar sujeto antes de su rotura.
Unidades: Para la resistencia a la tracción, el esfuerzo es la relación de la carga sobre el área de la sección transversal inicial y se expresa comúnmente en Pa (pascales). La extensión o aumento en longitud se expresa en porcentaje del largo inicial.
La resistencia a la tracción y la deformación a la rotura, respectivamente indican el máximo esfuerzo que el material puede soportar. Curvas típicas basadas en datos experimentales muestran los valores reales.


Curva tensión-deformación




En el ensayo a la tracción se mide la deformación (alargamiento) de la probeta entre dos puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga aplicada, y se representa gráficamente en función de la tensión (carga aplicada dividida por la sección de la probeta). En general, la curva tensión-deformación así obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas:



Zonas de curva de tensión-deformación


Evolución de las probetas rectangulares durante el ensayo de tracción (la zona central es la que soporta mayor deformación, y por esa zona se romperá).



1. Deformaciones elásticas: en esta zona las deformaciones se reparten a lo largo de la probeta, son de pequeña magnitud y, si se retirara la carga aplicada, la probeta recuperaría su forma inicial (recuperación elástica (1)). El coeficiente de proporcionalidad entre la tensión y la deformación se denomina módulo de elasticidad (2) o de Young y es característico del material. La tensión más elevada que se alcanza en esta región se denomina límite de fluencia (yield point) y es el que marca la aparición de este fenómeno. 

2. Fluencia o cedencia: Es la deformación brusca de la probeta sin incremento de la carga aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, mecanismo mediante el cual el material se deforma plásticamente. Alcanzado el límite de fluencia se logra liberar las dislocaciones produciéndose la deformación bruscamente. La deformación en este caso también se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta pero concentrándose en las zonas en las que se ha logrado liberar las dislocaciones. No todos los materiales presentan este fenómeno, en cuyo caso la transición entre la deformación elástica y plástica del material no se aprecia de forma clara. 

3. Deformaciones plásticas: si se retira la carga aplicada en dicha zona, la probeta recupera sólo parcialmente su forma quedando deformada permanentemente. Las deformaciones en esta región son más acusadas que en la zona elástica. 

4. Estricción: Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran en la parte central de la probeta apreciándose una acusada reducción de la sección de la probeta, momento a partir del cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta por esa zona. La estricción es la responsable del descenso de la curva tensión-deformación; realmente las tensiones no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se representa es el cociente de la fuerza aplicada (creciente) entre la sección inicial y cuando se produce la estricción la sección disminuye, efecto que no se tiene en cuenta en la representación gráfica. Los materiales frágiles no sufren estricción ni deformaciones plásticas significativas, rompiéndose la probeta de forma brusca. Terminado el ensayo se determina la carga de rotura, carga última o resistencia a la tracción: la máxima resistida por la probeta dividida por su sección inicial, el alargamiento en (%) y la estricción en la zona de la rotura.


Otras características que pueden caracterizarse mediante el ensayo de tracción son la resiliencia y la tenacidad, que son, respectivamente, las energías elástica y total absorbida y que vienen representadas por el área comprendida bajo la curva tensión-deformación hasta el límite elástico en el primer caso y hasta la rotura en el segundo.



Curvas de tensión-deformación para distintas clases de plástico




Normativa para ensayo de tracción 



La norma ASTM es D 638 (D 638 M es métrica). La unidad SI es el pascal (Pa=N/m2), pero también se usa la libra por pulgada cuadrada (psi). Los plásticos comerciales sin plastificar ni llevar fibras muestran desde 14 hasta 140 MPa (2 a 20 psi). 
(1) Recuperación elástica 


La recuperación elástica es una medida de la extensión a la cual una sustancia recupera sus dimensiones originales luego de retirado el esfuerzo. Es la fracción de una dada deformación que se comporta elásticamente. Un material perfectamente elástico tiene una recuperación del 100% mientras que un material perfectamente plástico no tiene recuperación elástica. 

La recuperación elástica es una importante propiedad en películas usadas para el envasado "stretch" por relacionarse directamente con la habilidad de una película para mantener junta a la carga. La retención del esfuerzo elástico - recuperación por un período de tiempo es también importante. 
(2) Módulo de elasticidad 

El módulo de elasticidad es la razón de esfuerzo a deformación o esfuerzo por unidad de deformación medido dentro de los límites de la deformación reversible. La medida en las tablas es el módulo de Young, que es la relación entre tensión (esfuerzo) y extensión (deformación) 




Y =FL/al2


Donde el esfuerzo es representado por la fuerza F por unidad de área sobre la sección inicial a y el esfuerzo medido como la extensión I producida al largo inicial L. El módulo de Young tiene las dimensiones de: esfuerzo (Pa) / deformación (m/m). 

En la práctica materiales que muestran apreciable reversibilidad generalmente rompen a po­ca extensión. Para materiales que muestran fluencia plástica este módulo se puede aplicar solamente en la porción inicial de la curva. 

El valor del módulo de Young indica la resistencia de un material a una extensión longitudi­nal reversible y es un parámetro útil para predecir hasta que punto se estirará una pieza bajo una carga determinada. 


Resistencia a la abrasión


Se llama resistencia a la abrasión a la habilidad de un material para resistir acciones mecánicas como frotamiento, rascado, molienda, arenado o erosión que tiende progresivamente sa­car material de su superficie. Las normas ASTM son la D 1044 y la D 1242. 

La abrasión, desgaste de superficies, se relaciona con la fricción. Propiedad compleja, es di­fícil de analizar y medir. Pese a que varias máquinas se han propuesto para los ensayos acele­rados, ninguno es aún satisfactorio. 

En los plásticos, la abrasión o resistencia al uso es importante en casos como cojinetes, rodamientos y engranajes. 




Abrasímetro






Las ruedas de desgaste producen la acción característica de frote. 
Montado en una superficie rotativa, las muestras son expuestas a la acción de rozamiento de dos muelas abrasivas. Las muelas producen marcas de abrasión que forman un modelo de arcos cruzados sobre un anillo circular de aproximadamente 30 cm2. 
Esto revela la resistencia a la abrasión en todos los ángulos en relación con el desgaste ó el grano del material 


Tipos de discos o muelas abrasivas



Las ruedas de abrasión, por lo general, se presentan en 5 niveles diferentes de abrasividad. 
Las ruedas de fieltro de lana o de caucho simple se emplean para realizar pruebas con materiales delicados o comprobar la abrasividad de materiales como polvos dentales. Las ruedas que incorporan partículas abrasivas en una matriz resistente de caucho o una matriz de arcilla vitrificada son indicadas para materiales más rígidos. 


- Calibrase: una rueda resistente compuesta de partículas abrasivas de caucho y óxido de aluminio. 


- Calibrade: una rueda no resistente compuesta de partículas abrasivas de arcilla vitrificada y carburo de silicio. 


- Fieltro de lana: no contiene partículas abrasivas. 


- Caucho simple: no contiene partículas abrasivas a menos que se utilice con tiras de papel de lija. 


- Carburo de Tungsteno: acción severa de corte y desgarre con dientes helicoidales para uso con materiales resistentes como el caucho, pieles o revestimiento para suelos. 


Resistencia a la compresión



La resistencia a la compresión es el máximo esfuerzo que un material rígido puede resistir bajo compresión longitudinal. No es necesario el esfuerzo en el punto de rotura, pero es de significación en materiales que quebrantan bajo una cierta carga. La unidad es fuerza por uni­dad de área de sección transversal inicial, expresada como Pa. El ensayo de compresión es un ensayo técnico para determinar la resistencia de un material o su deformación ante un esfuerzo de compresión. En la mayoría de los casos se realiza con hormigones y metales (sobre todo aceros), aunque puede realizarse sobre cualquier material. 


· Se suele usar en materiales frágiles. 


· La resistencia a compresión de todos los materiales siempre es mayor que a tracción. 


Se realiza preparando probetas normalizadas que se someten a compresión en un dispositivo para ensayo de compresión o una máquina universal de ensayos. 



Dispositivo para ensayo de compresión




Ensayo de compresión en concreto



El ensayo de compresión también puede aplicarse a productos confeccionados con elastómeros destinados a contener aire en su interior tales como balones de fútbol o neumáticos. En los cuales es útil conocer cuanta presión son capaces de resistir sin deformación permanente o cuanta presión son capaces de resistir sin romperse o estallar.



Ensayo de compresión a balón de fútbol


Resistencia a la flexión



La resistencia a la flexión estática, también conocida como módulo de rotura, representa el máximo esfuerzo desarrollado en la superficie de la probeta en forma de barra, soportada cerca del extremo y cargada en el centro hasta que ocurra la falla. La unidad es fuerza por unidad de área, en Pa. El ensayo es aplicable solamente a materia­les rígidos.



Dispositivo para ensayo de flexión


Ensayo de flexión



Los ensayos de flexión se utilizan principalmente como medida de la rigidez. Este ensayo es casi tan habitual en materiales poliméricos duros como el ensayo de tracción, y tiene las ventajas de simplificar el mecanizado de las probetas y evitar los problemas asociados al empleo de mordazas. Entre las principales limitaciones se encuentra la imposibilidad de obtener información relevante en materiales poliméricos blandos como son las espumas flexibles y los cauchos. 


El parámetro más importante que se obtiene de un ensayo de flexión es el módulo de elasticidad (también llamado módulo de flexión). En función del número de puntos de apoyo pueden realizarse varios tipos de ensayos de flexión: flexión entres puntos, en cuatro puntos o incluso flexión de una viga en voladizo. 





Procesos que utilizan la materia prima en forma de bloque

     Son el conjunto de procesos en el que, el metal que será conformado en una forma determinada, se encuentra inicialmente dispuesto en forma de bloque. Estos se caracterizan por su drástico cambio de geometría. Los procesos que se encuentran dentro de este grupo son el laminado, fundición, forjado y extrusión.

Laminado

     La laminación es un método de conformada deformación utilizado para producir productos metálicos alargados de sección transversal constante.
     Este proceso metalúrgico se puede realizar con varios tipos de máquinas. La elección de la máquina más adecuada va en función del tipo de lámina que se desea obtener (espesor y longitud) y de la naturaleza y características del metal. Este es un proceso en el cual se reduce el espesor del material pasándolo entre un par de rodillos rotatorios. Los rodillos son generalmente cilíndricos y producen productos planos tales como láminas o cintas. También pueden estar ranurados o grabados sobre una superficie a fin de cambiar el perfil, así como estampar patrones en relieve. Este proceso de deformación puede llevarse a cabo, ya sea en caliente o en frío.

Tipos de Laminado:

     Durante el desarrollo del proceso de laminación se deben tener en cuenta dos tipos de procesos: laminación en caliente y laminación en frio.

Laminación en Caliente:

El proceso de laminado en caliente se utiliza para estructuras de colada, o fundición comúnmente dendrítica, la cual incluye granos grandes y no uniformes, por lo cual la estructura es más frágil y contiene porosidades. De tal manera la laminación en caliente se debe realizar a una temperatura mayor a la temperatura de recristalización del metal; permitiendo transformar la estructura colada en una estructura laminada, la cual va a tener granos más finos y una mayor ductilidad, resultando ambas de los límites de los granos frágiles y el cierre de los defectos especialmente de la porosidad. El proceso de laminado en caliente se lleva a cabo para aleaciones de aluminio y para aceros aleados. Se manejan temperaturas entre 0.3 y 0.5 veces la temperatura de fusión, lo que corresponde a la temperatura de recristalización. Comúnmente los primeros producto de laminado en caliente, son la palanquilla y el planchón. El primer producto es muy utilizado para la formación de vigas en forma de I y rieles de ferrocarril, en el caso de utilizar tochos, en cambio para la formación de placas y láminas se utilizan los planchones. En el proceso de laminado en caliente tanto para palanquillas como para planchones la superficie tiene que ser mejorada, por la presencia de calamina, la cual puede ser eliminada por ataque químico, esmerilado grueso para dar suavidad a la superficie, o chorro de arena y de tal manera pasar a ser laminada.

     Laminado en Frío:
El proceso de laminado en frío se lleva a cabo a temperatura ambiente. A diferencia del proceso de laminación en caliente, produce láminas y tiras con un acabado superficial mejor debido a que no hay presencia de calamina. Además se tienen mejores tolerancias dimensionales y mejores propiedades mecánicas debidas al endurecimiento por deformación.

Fundición

     Consiste en el llenado con metal fundido de un recipiente (molde) que presenta un hueco cuya forma y dimensiones son análogas a las de la pieza que se desea obtener.
     Con este procedimiento pueden obtenerse piezas de formas muy complicadas. Es necesario utilizar metales muy fluidos que llenen bien los huecos del molde.

Forjado

     Involucra la aplicación de esfuerzos de compresión que exceden el esfuerzo de fluencia del metal. El esfuerzo puede ser aplicado rápida o lentamente. El proceso puede realizarse en frío o en caliente, la selección de temperatura es decidida por factores como la facilidad y costo que involucre la deformación, la producción de piezas con ciertas características mecánicas o de acabado superficial es un factor de menor importancia. Más del 90% de los procesos de forjado son en caliente. El forjado por impacto, puede realizarse de 3 maneras diferentes.

Procedimientos de Forjado

     Existen dos clases de procedimientos de forjado forjado por impacto y forjado por presión.

     Forjado por Presión:

El tipo de forjado donde se involucra la aplicación gradual de presión para lograr la cadencia del metal. Este tipo de forjado se usa a nivel industrial y utiliza maquinaria tipo prensa hidráulica.

     Forjado por Impacto:

Es el tipo de forjado donde la carga es aplicada por impacto y la deformación tiene lugar en un corto tiempo. Existen a su vez, dos diferentes formas de forjado por impacto

     Forjado de Herrero:

Este es indudablemente el más antiguo tipo de forjado, pero en la actualidad es relativamente poco común. La fuerza de impacto para la deformación es aplicada manualmente por el herrero por medio de un martillo. La pieza de metal es calentada en una fragua y cuando se encuentra a la temperatura adecuada es colocada en un yunque. El yunque es una masa pesada de acero con la parte superior plana, una parte en forma de cuerno la cual está curvada para producir diferentes curvaturas, y un agujero cuadrado en la parte superior para acomodar varios accesorios del yunque.

     Forjado por Martinete:

Este es el equivalente moderno del forjado de herrero en donde la fuerza limitada del herrero ha sido reemplazada por un martillo mecánico o de vapor.

Extrusión

     La extrusión es un proceso por compresión en el cual el metal de trabajo es forzado a fluir a través de la abertura de un dado para darle forma a su sección transversal. Ejemplos de este proceso son secciones huecas, como tubos, y una variedad deformas en la sección transversal.

Tipos de Extrusión

     El proceso de conformado por extrusión puede dividirse en dos principales tipos: Extrusión directa y Extrusión indirecta.

     Extrusión Directa


La extrusión directa, también conocida como extrusión delantera, es el proceso más común de extrusión. Éste trabaja colocando la barra en un recipiente fuertemente reforzado. La barra es empujada a través del troquel por un tornillo. Hay un dummy block reusable entre el tornillo y la barra para mantenerlos separados. La mayor desventaja de este proceso es la fuerza requerida en la extrusión de la barra, es mayor que la necesitada en la extrusión indirecta porque la fuerza de fricción introducida por la necesidad de la barra de recorrer completamente el contenedor. Por eso la mayor fuerza requerida es al comienzo del proceso y decrece según la barra se va agotando. Al final de la barra la fuerza aumenta grandemente porque la barra es delgada y el material debe fluir radialmente para salir del troquel. El final de la barra, llamado tacón final, no es usado por esta razón.

     Extrusión Indirecta


En la extrusión indirecta, también conocida como extrusión retardada, la barra y el contenedor se mueven juntos mientras el troquel está estacionario. El troquel es sostenido en el lugar por un soporte el cual debe ser tan largo como el contenedor. La longitud máxima de la extrusión está dada por la fuerza de la columna del soporte. Al moverse la barra con el contenedor, la fricción es eliminada.

     Ventajas:

·         Una reducción del 25 a 30% de la fuerza de fricción, permite la extrusión de largas barras.
·         Hay una menor tendencia para la extrusión de resquebrajarse o quebrarse porque no hay calor formado por la fricción.
·         El recubrimiento del contenedor durará más debido al menor uso.
·         La barra es usada más uniformemente tal que los defectos de la extrusión y las zonas periféricas ásperas o granulares son menos probables.

     Desventajas:


·         Las impurezas y defectos en la superficie de la barra afectan la superficie de la extrusión. Antes de ser usada, la barra debe ser limpiada o pulida con un cepillo de alambres.
·         Este proceso no es versátil como la extrusión directa porque el área de la sección transversal es limitada por el máximo tamaño del tallo.


 Materiales

     Las Deformaciones del Material pertenecen al grupo de las denominadas lesiones mecánicas. Son consecuencia de procesos mecánicos, a partir de fuerzas externas o internas que afectan a las características mecánicas de los elementos constructivos. En el caso de las deformaciones, son una primera reacción del elemento a una fuerza externa, al tratar de adaptarse a ella.
     La mecánica de los sólidos deformables estudia el comportamiento de los cuerpos sólidos deformables ante diferentes tipos de situaciones como la aplicación de cargas o efectos térmicos. Estos comportamientos, más complejos que el de los sólidos rígidos, se estudian en mecánica de sólidos deformables introduciendo los conceptos de deformación y de tensión mediante sus aplicaciones de deformación. Una aplicación típica de la mecánica de sólidos deformables es determinar a partir de una cierta geometría original de sólido y unas fuerzas aplicadas sobre el mismo, si el cuerpo cumple ciertos requisitos de resistencia y rigidez. Para resolver ese problema, en general es necesario determinar el campo de tensiones y el campo de deformaciones del sólido.
     Se tiene la siguiente clasificación para el comportamiento de la deformación de materiales:

Comportamiento Elástico


     Se da cuando un sólido se deforma adquiriendo mayor energía potencial elástica y, por tanto, aumentando su energía interna sin que se produzcan transformaciones termodinámicas irreversibles. La característica más importante del comportamiento elástico es que es reversible: si se suprimen las fuerzas que provocan la deformación el sólido vuelve al estado inicial de antes de aplicación de las cargas. Dentro del comportamiento elástico hay varios subtipos:

Elástico Lineal Isótropo.

     Como el de la mayoría de metales no deformados en frío bajo pequeñas deformaciones.

Elástico Lineal No-Isótropo.

     La madera es material ortotrópico que es un caso particular de no-isotropía.

Elástico No-Lineal.

     Ejemplos de estos materiales elásticos no lineales son la goma, el caucho y el hule, también el hormigón o concreto para esfuerzos de compresión pequeños se comporta de manera no-lineal y aproximadamente elástica.

Comportamiento Plástico.


     Aquí existe irreversibilidad; aunque se retiren las fuerzas bajo las cuales se produjeron deformaciones elásticas, el sólido no vuelve exactamente al estado termodinámico y de deformación que tenía antes de la aplicación de las mismas. A su vez los subtipos son:

Plástico Puro.

     Cuando el material "fluye" libremente a partir de un cierto valor de tensión.

Plástico con Endurecimiento.

     Cuando para que el material acumule deformación plástica es necesario ir aumentando la tensión.

Plástico con Ablandamiento.

Comportamiento Viscoso.


     Que se produce cuando la velocidad de deformación entra en la ecuación constitutiva, típicamente para deformar con mayor velocidad de deformación es necesario aplicar más tensión que para obtener la misma deformación con menor velocidad de deformación pero aplicada más tiempo. Aquí se pueden distinguir los siguientes modelos:

Visco-Elástico

     En que las deformaciones elásticas son reversibles. Para velocidades de deformaciones arbitrariamente pequeñas este modelo tiende a un modelo de comportamiento elástico.

Visco-Plástico.

     Que incluye tanto el desfasaje entre tensión y deformación por efecto de la viscosidad como la posible aparición de deformaciones plásticas irreversibles.


Traductor

Con la tecnología de Blogger.

Social Icons

Featured Posts

Social Icons

vfvf

Entradas Populares