Capítulo 4: Propiedades mecánicas de los materiales

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(1)

TEMA 1

Capítulo 3

PROPIEDADES

(2)

Podemos

clasificar

los

materiales

en

base

a

sus

aplicaciones.

Según este criterio, podemos dividirlos

en dos

grandes grupos:

- Materiales estructurales

- y Materiales funcionales.

Los primeros son aquellos que van a estar caracterizados por sus propiedades mecánicas y cuando prestan servicio están sometidos fundamentalmentea fuerzas o cargas.

(3)

4.1 MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO DE LOS METALES

A los ingenieros metalúrgicos y de materiales se les solicita en numerosas

ocasiones el diseño de aleaciones con alta resistencia pero también con cierta

ductilidad y tenacidad.

La capacidad de un metal o aleación para deformarse

plásticamente depende de

la capacidad de las dislocaciones

para moverse

.

La resistencia mecánica se puede aumentar

reduciendo la movilidad de

las dislocaciones

; es decir, mayores fuerzas serán necesarias para

(4)

En definitiva,

todas las técnicas de endurecimiento de las

aleaciones se basan en un principio muy simple

:

-

La restricción e impedimento del movimiento de las

dislocaciones convierte al material en más duro y

(5)

Mecanismos de endurecimiento:

Endurecimiento por solución sólida de metales

Endurecimiento por reducción del tamaño de

grano

(6)

4.1.1

Endurecimiento por solución sólida de metales

La estructura de una solución sólida puede ser de dos tipos: por sustitución o de inserción. Se crean campos de tensión alrededor de cada átomo de soluto, que interaccionan con las dislocaciones provocando que sus movimientos se hagan más difíciles, con lo que se consigue que la solución sólida sea más resistente y dura que el metal puro.

Los dos factores más importantes que afectan al endurecimiento

de las disoluciones sólidas:

El factor de tamaño relativo

, o lo que es lo mismo, las diferencias entre el tamaño de los átomos del soluto y el disolvente, ya que cuanto mayor sea esa diferencia mayor será la distorsión producida en la red cristalina.

El orden a corto alcance,

es decir, es muy raro que una solución sólida se forme al azar al mezclarse diferentes átomos, eso significa que algún tipo de orden de corto alcance o agrupación de átomos semejantes estará presente.

(7)

4.1.2

Endurecimiento por reducción del tamaño de grano

El

tamaño

de

grano

de

un

metal

policristalino

afecta

considerablemente a las propiedades mecánicas del mismo.

Durante la deformación plástica del metal, las dislocaciones que se mueven a lo largo de un plano de

cada grano

tiene su propio conjunto de dislocaciones en sus propios planos

de deslizamiento

preferidos, que a su vez

tienen diferentes

orientaciones de las de los

granos colindantes.

Figura 4.1.Esquema de los planos de deslizamiento contenidos en los granos de un metal

(8)

Un material con grano fino será mas duro y resistente que uno de

grano grueso, ya que el primero tiene un mayor número de bordes

de grano para un mismo volumen que el segundo.

También en

muchos materiales el límite elástico

y varía con el tamaño de

grano según la siguiente relación:

y

=

0

+ k

y

d

-1/2

(9)

4.1.3

Endurecimiento por deformación

En una estructura de grano equiaxial,

sometida a un

proceso de deformación plástica

, los granos sufren cizallamiento relativo unos respecto de otros mediante la generación, movimiento y redistribución de las dislocaciones.

Esto significa que

la densidad de las dislocaciones aumentará cuanto

mayor sea el grado de deformación plástica al que sometamos al

material.

La densidad de la dislocación aumenta con la deformación,

se hace cada vez más difícil el

movimiento de las dislocaciones

a través del “bosque de dislocaciones” y, por tanto, el trabajo sobre el metal que se endurece a medida que aumenta la deformación en frío. El cobre, aluminio o el hierro- son trabajados en frío,

se endurecen por deformación, o lo que es lo mismo endurecen

por

acritud,

uno

de

los

métodos

más

importantes

de

(10)

4.1.4

Endurecimiento por precipitación

Lógicamente este proceso estará limitado a aquellas composiciones de

aleaciones que muestren

curvas de insolubilidad parcial directas con la temperatura

, delimitando una zona monofásica y otra bifásica.

El

grado

de

endurecimiento

es

proporcional al grado de

precipitado

coherente

con a matriz.

(11)

El endurecimiento por precipitación se produce por el efecto de las

partículas precipitadas que, de forma coherente, deforman los planos

cristalinos de la matriz en el entorno de las mismas.

La coherencia es

el concepto que involucra

la continuidad de los planos

cristalinos de la matriz de la aleación, aún albergando un núcleo

de la fase precipitada por

sobresaturación.

Figura 4.4. a) Precipitado no coherente (estable) sin relación con la estructura cristalina de la matriz. b) Precipitado coherente inestable.

(12)

4.2RECUPERACIÓN, RECRISTALIZACIÓN Y CRECIMIENTO

DEL GRANO

La deformación plástica de una probeta metálica policristalina a temperaturas bajas

respecto a la de fusión, produce cambios en la microestructura y propiedades de la misma.

Los cambios fundamentales son:

Cambio en la forma del grano

Endurecimiento por

deformación

Aumento de la densidad de

dislocaciones

(13)

Pero estos cambios y estructuras pueden recuperar sus valores anteriores a la deformación en frío

mediante

tratamientos térmicos adecuados que producen unos fenómenos

de recuperación y recristalización

después de los cuales puede ocurrir

el

crecimiento de grano.

4.2.1

Recuperación

En principio, la recuperación es

un fenómeno

que ocurre

a baja temperatura

, y los cambios producidos en las propiedades del material a consecuencia del mismo no dan un cambio apreciable en la microestructura.

Explicado con mayor detalle, al suprimir la carga que ha producido la deformación plástica en un material policristalino no desaparece toda la deformación elástica debido a que, al no tener todos los cristales la misma orientación cristalina, no se permite que alguno de ellos retroceda cuando se suprime la carga.

Conforme la temperatura aumenta,

se produce un rápido retroceso de estos átomos desplazados

(14)

Como indicamos con anterioridad,

las propiedades mecánicas del material no

experimentan ningún cambio sustancial

durante esta etapa, siendo

la principal aplicación de esta etapa de recuperación el alivio de

las tensiones internas que se producen al deformar un metal.

Si que hay que destacar por el contrario, que tras la etapa de recuperación, propiedades físicas como

las

(15)

4.2.2

Recristalización

Si continuamos aumentando la temperatura,

conforme se alcanza la temperatura

superior del intervalo de recuperación,

aparecen nuevos cristales

en la microestructura los cuales tienen la misma composición, estructura y forma que los granos originales no deformados y que son aproximadamente uniformes en sus dimensiones (equiaxiales).

La fuerza motriz para producir esta nueva estructura de granos es

la diferencia entre la energía interna del material deformado y el

no deformado.

Los nuevos granos se forman como

núcleos muy pequeños y crecen hasta que

reemplazan completamente al material deformado,

proceso en el cual tiene lugar la difusión de corto alcance. Como acabamos de señalar que los nuevos granos crecen a partir de unos pequeños núcleos, los procesos de recristalización de los metales deformados en

frío pueden emplearse para afinar la

(16)

También durante la recristalización las propiedades mecánicas del metal

deformado son restauradas a los valores previos a la deformación, es decir, el

metal se hace más blando, dúctil, tenaz y menos resistente.

Existen

factores

importantes

que

afectan

al

proceso

de

recristalización

de los metales y aleaciones como son:

La cantidad de deformación previa del metal

La temperatura

El tiempo

El tamaño inicial del grano

La composición del metal o aleación

(17)

Generalidades acerca del proceso de recristalización:

Es necesaria una mínima deformación del metal

Cuanto más pequeño sea el grado de deformación, más alta la

temperatura necesaria para provocar la recristalización.

Al incrementar la temperatura para la recristalización, disminuye el

tiempo necesario para completarla.

Cuanto mayor sea el grado de deformación, más pequeño el tamaño

del grano recristalizado.

Cuanto mayor sea el tamaño original del grano, mayor será la

deformación

requerida

para

conseguir

una

temperara

de

recristalización equivalente.

La temperatura de recristalización disminuye al aumentar la pureza

(18)

4.2.3

Crecimiento de grano

Los granos pueden seguir creciendo si el material es mantenido a

temperatura elevada.

A este fenómeno se le conoce como crecimiento del grano, que no tiene porqué estar precedido por la restauración y la recristalización, sino que por el mero hecho de someter un material policristalino a temperaturas elevadas, su grano tenderá a crecer.

(19)

Esto se debe a que

cuanto más crece el grano, el área total de bordes de grano

disminuye

(va disminuyendo el número de granos), produciéndose entonces una

disminución de la

energía superficial del sistema

, lo que resulta en la fuerza motriz de este fenómeno.

Los granos crecen debido a la migración de los bordes de grano.

Como no todos los granos pueden crecer al mismo tiempo, unos crecen a expensas de otros, aunque el tamaño medio de grano aumenta con el tiempo y

en cualquier instante existirá una gama de tamaños de grano

diferentes.

El movimiento de los bordes de grano, no es más que la difusión a corto

(20)

4.3

TENSIÓN Y DEFORMACIÓN

o

A

F

Figura 4.7. Alargamiento de una varilla metálica sometida a una fuerza de tracción F.

F

l

lo

l

F

Ao

(21)

Definiremos el

esfuerzo o tensión nominal

al que está sometida la varilla, como

el cociente entre la fuerza de tracción F y la sección transversal original de la

varilla A

o

:

La deformación

producida en la varilla anterior debido a la

aplicación sobre ella de la fuerza F

será:

o

l

o

l

l

l

l

l

(22)

Un esfuerzo de tensión

z produce una deformación axial +

z

y una contracción lateral de

-

x

y -

y

.

Si

el

material

es

completamente

isótropo,

-

x =

-

y con lo que podemos escribir la

siguiente relación:

es el coeficiente de Poisson

,

que toma el valor para materiales ideales de 0,5. Sin embargo, en la realidad, el coeficiente de Poisson varía desde 0,25 hasta 0,4con un valor promedio en torno al 0,3.

(23)

Esfuerzo cortante y deformación por esfuerzo cortante

El esfuerzo cortantese relaciona con la fuerza F por la relación:

Deformación por esfuerzo cortante,

, se define como

la cantidad de

desplazamiento por cizalla

a

dividida por

la distancia

h

sobre la que actúa la cizalla:

Para la cizalla puramente elástica, existe proporcionalidad entre la deformación y

el esfuerzo cortante:

= G

(24)

4.3.1

El ensayo de tracción

El ensayo de tracción es el más habitual para determinar la resistencia de los metales y

aleaciones. Es un ensayo en el que se pretende romper mediante la aplicación de un

esfuerzo de tracción, una probeta a velocidad constante en un periodo relativamente

corto de tiempo.

(25)

La fuerza (carga) sobre la muestra que está siendo analizada se registra al igual que la

deformación medida mediante un extensómetro. De tal modo que al final del ensayo

tendremos un gráfico tensión-deformación como el que se muestra en la figura 4.9.

Figura 4.9. Curva tensión-deformación de una aleación de aluminio

M Y

(26)

Las principales propiedades mecánicas de metales

y aleaciones que son de importancia en ingeniería

para diseño estructural y que pueden obtenerse del

ensayo de tracción son las siguientes:

a) Módulo de elasticidad

b) Límite elástico convencional a 0,2% de desplazamiento

c) Resistencia a tracción

d) Alargamiento hasta rotura

(27)

a) Módulo de elasticidad

Durante la primera parte del ensayo de tracción, la deformación que experimenta el

metal es de naturaleza elástica, es decir, si retiramos la carga a la que está sometida la

probeta, esta volverá a su longitud inicial. Para los metales, la máxima deformación

elástica es normalmente inferior al 0,5%. En general, los metales y aleaciones

muestran

una relación lineal entre el esfuerzo aplicado y la deformación en

la región elástica que está descrita por la ley de Hooke:

(tensión) = E .

(deformación)

O bien:

E =

Donde E es el módulo de elasticidad o módulo de Young.

El módulo de elasticidad,

por tanto, estará relacionado con la fuerza de enlace entre los átomos de un metal o

(28)

deformarán fácilmente, mientras que cuanto menor sea el módulo de elasticidad de un

(29)

Límite elástico

Es un valor de gran importancia para el diseño estructural con materiales metálicos ya

que es la fuerza a la que un metal o aleación muestra una deformación plástica

significativa, o dicho de otra manera,

el valor de la tensión que puede

soportar un material a partir del cual va a comenzar a

deformarse plásticamente.

Pero como en la mayoría de materiales no existe un punto bien definido de donde

termina el material de deformarse elásticamente y donde comienza la deformación

plástica, el límite elástico se toma como aquella tensión para la que se produce una

(30)

Los límites elásticos están comprendidos entre 35 MPa para un aluminio de baja

(31)

b) Resistencia a tracción

Conforme aumenta la carga aplicada sobre la probeta que estamos ensayando, el

esfuerzo y la deformación se incrementan como lo indica el tramo de la curva YM para

un material dúctil, hasta alcanzar un valor máximo de esfuerzo en el punto M de la

curva.

La resistencia a tracción, por tanto, se define

como la carga máxima que es capaz de soportar el

material sin romperse, referida a la sección original

(32)

c) Resistencia última a rotura

Cuando sometemos a un

material dúctil

al ensayo de tracción, hasta que llegamos al

punto de esfuerzo máximo M, la deformación que experimenta la pieza o probeta

es uniforme a lo largo de toda ella

. Pero

a partir de ese punto máximo, la muestra

experimenta una deformación localizada y la carga decrece conforme la sección

disminuye

.

Esta deformación que presenta la forma de un cuello, no es uniforme y

ocurre rápidamente hasta el punto en que el material falla.

La resistencia a rotura

considerando la sección original de la pieza antes del ensayo siempre será menor que

la resistencia a tracción.

En el caso de materiales frágiles sin capacidad de

deformarse plásticamente, la resistencia a tracción y la resistencia a rotura

(33)

Ductilidad

La ductilidad

es una medida del grado de deformación plástica que puede

soportar un material hasta su rotura.

Del ensayo de tracción esta propiedad la

podremos determinar a partir de dos mediciones

:

-

Alargamiento:

Se determina juntando, después de haber roto el material, las dos

partes de la pieza y midiendo la distancia entre dos marcas puestas en la pieza antes

de efectuar el ensayo. El alargamiento lo calcularemos de la siguiente forma:

A l l l

f

  0 0

,

donde l

f

es la longitud final entre las marcas y l

0

la inicial.

-

Estricción:

Se denomina a la disminución de sección que aparece localizada

donde se produce la rotura. Se determina a partir de las mitades rotas de la pieza,

midiendo el área transversal mínima S

r

. La expresión que da la estricción

, para una

probeta de sección inicial S

0

es la siguiente:

  SS

S

r 0

0

(34)

4.3.2

Curvas reales de tracción

Hasta este momento hemos hablado del ensayo de tracción convencional y

siempre hemos estado relacionando cuando hablamos de resistencia, valores

de cargas divididos siempre por la sección original de la probeta que vamos a

ensayar. Esto no es exacto ya que, como hemos visto,

la sección de la

probeta durante un ensayo de tracción no permanece constante sino que

va disminuyendo conforme aumentamos el esfuerzo sobre la misma

.

A

este tipo de curvas, que son las que realmente tienen una utilidad

(35)

Pero también es interesante, y en ocasiones necesario, determinar en cada

momento la tensión real a la que está sometida la probeta, en relación a la

sección que verdaderamente presenta en cada momento. Y esa es la

dificultad que tenemos, el saber cual es la sección que verdaderamente

presenta la probeta en un momento determinado del ensayo.

Para realizar ese cálculo, en una primera aproximación, podemos suponer

que el volumen del metal se conserva durante la deformación plástica. De

este modo podemos escribir:

(36)

La tensión real

r

vendrá definida por la relación:

0 0 0 0 0

.

.

.

l

l

l

S

F

l

S

l

F

S

F

r

Ahora bien, hemos visto antes que la tensión referida a la sección inicial tenía por valor

  F

S0

y el

alargamiento referido a la longitud inicial, el siguiente valor:

  l

l0

de donde resulta que la tensión

real se expresa por la ecuación:

r

.(

1

)

Cuando en un momento determinado del ensayo la probeta posea la longitud l, la deformación real

correspondiente a ese alargamiento será:

0 0

log

0 0

l

l

l

l

dl

l l l r

 

De donde:

r

= log (1 +

)

(37)

Figura 4.10. Representación esquemática de la diferencia existente entre las curvas tensión-deformación ingenieril y real.

(38)

4.4DUREZA

La dureza es

una medida del material a ser deformado plásticamente.

Normalmente,

esta propiedad se mide forzando con un penetrador su

superficie

, el cual generalmente está fabricado de un material mucho más duro que el material a ensayar y puede tener forma de esfera, pirámide o cono.

Debido a las características de este ensayo

,

se puede determinar experimentalmente una

relación entre dureza y resistencia para un determinado material

, por lo que

el ensayo de dureza

se utiliza con gran frecuencia en la industria para control de

(39)

En la figura 4.11 se recogen los tipos de penetradores y huellas asociados

a los cuatro ensayos más

comunes de dureza: Rockwell, Brinell, Vickers y Knoop.

(40)

4.5FLUENCIA

La fluencia o creep es

el fenómeno de aumento constante de la

deformación en el tiempo, que se produce en todos los materiales,

sometidos a una carga, cuando la temperatura es lo suficientemente

(41)

En la figura 4.12 se representa la

forma típica de una curva de fluencia,

es decir, la variación de la deformación con el tiempo, que experimenta una probeta sometida a una carga y temperatura constantes.

En ella se

pueden distinguir las cuatro zonas clásicas:

i)

Deformación prácticamente instantánea OA, que será solamente

elástica si no se ha rebasado el límite elástico del material.

ii) Una primera etapa AB en que la velocidad de deformación disminuye

con el tiempo.

iii) Una segunda etapa en que la velocidad de fluencia se hace mínima y

permanece constante.

iv) Una tercera etapa en que la velocidad de fluencia aumenta

(42)
(43)

En general es difícil determinar la temperatura que corresponde a una velocidad de fluencia nula, sin embargo

puede

afirmarse que para temperaturas superiores a la mitad de la de fusión

todos los materiales metálicos presentan velocidades de fluencia

importantes.

Las características tecnológicas más importantes que pueden determinarse a través de los ensayos de fluencia son,

la

deformación en un tiempo dado y el tiempo al cabo del cual se produce

la rotura.

En ambos casos interviene un nuevo parámetro,

el tiempo

, que normalmente

no se tiene en cuenta en

estructuras destinadas a trabajar a temperatura ambiente

y que aquí es de una importancia decisiva.

En algunos casos, cuando no es preciso limitar la deformación,

la carga de rotura en tiempo dado

(44)

Figure

Figura 4.1. Esquema de los planos de deslizamiento contenidos en los granos de un metal

Figura 4.1.

Esquema de los planos de deslizamiento contenidos en los granos de un metal p.7
Figura 4.2. Zona del diagrama de equilibrio Cu-Al que muestra los tres pasos a seguir en el endurecimiento por precipitación de

Figura 4.2.

Zona del diagrama de equilibrio Cu-Al que muestra los tres pasos a seguir en el endurecimiento por precipitación de p.10
Figura 4.5. Etapas de la recristalización de un metal

Figura 4.5.

Etapas de la recristalización de un metal p.12
Figura 4.6. Representación esquemática del crecimiento de grano por difusión atómica

Figura 4.6.

Representación esquemática del crecimiento de grano por difusión atómica p.18
Figura 4.7. Alargamiento de una varilla metálica sometida a una fuerza de tracción F.

Figura 4.7.

Alargamiento de una varilla metálica sometida a una fuerza de tracción F. p.20
Figura 3.7b. Alargamiento axial y contracciones laterales en respuesta a una tracción aplicada.

Figura 3.7b.

Alargamiento axial y contracciones laterales en respuesta a una tracción aplicada. p.22
Figura 4.8. Esquema de un ensayo de tracción.

Figura 4.8.

Esquema de un ensayo de tracción. p.24
Figura 4.9. Curva tensión-deformación de una aleación de aluminio

Figura 4.9.

Curva tensión-deformación de una aleación de aluminio p.25
Figura 4.10. Representación esquemática de la diferencia existente entre las curvas tensión-deformación ingenieril y real.

Figura 4.10.

Representación esquemática de la diferencia existente entre las curvas tensión-deformación ingenieril y real. p.37
Figura 4.11. Diferentes ensayos de dureza.

Figura 4.11.

Diferentes ensayos de dureza. p.39
Figura 4.12. Curva típica de fluencia de un metal o aleación.

Figura 4.12.

Curva típica de fluencia de un metal o aleación. p.42

Referencias

Actualización...