(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)(20)(21)(22)(23)(24)(25)(26)(27)(28)(29)(30)(31)(32)(33)(34)(35)(36)(37)(38)(39)(40)(41)(42)(43)(44)
TEMA 1
Capítulo 3
PROPIEDADES
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.
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
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
Mecanismos de endurecimiento:
Endurecimiento por solución sólida de metales
Endurecimiento por reducción del tamaño de
grano
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.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
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
4.1.3
Endurecimiento por deformación
En una estructura de grano equiaxial,
sometida a unproceso 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
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.
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 involucrala 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.
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
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 ocurrirel
crecimiento de grano.
4.2.1
Recuperación
En principio, la recuperación es
un fenómeno
que ocurrea 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
Como indicamos con anterioridad,
las propiedades mecánicas del material no
experimentan ningún cambio sustancial
durante esta etapa, siendola 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
4.2.2
Recristalización
Si continuamos aumentando la temperatura,
conforme se alcanza la temperaturasuperior 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 enfrío pueden emplearse para afinar la
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
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
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.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 unadisminución 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 yen 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
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
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
Un esfuerzo de tensión
z produce una deformación axial +
zy una contracción lateral de
-
xy -
y.
Si
el
material
es
completamente
isótropo,
-
x =-
y con lo que podemos escribir lasiguiente 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.
Esfuerzo cortante y deformación por esfuerzo cortante
El esfuerzo cortantese 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
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.
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
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
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
deformarán fácilmente, mientras que cuanto menor sea el módulo de elasticidad de un
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
Los límites elásticos están comprendidos entre 35 MPa para un aluminio de baja
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
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
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 lf
0 0
,
donde l
fes la longitud final entre las marcas y l
0la 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
0es la siguiente:
S SS
r 0
0
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
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:
La tensión real
rvendrá 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
FS0
y el
alargamiento referido a la longitud inicial, el siguiente valor:
ll0
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 0l
l
l
l
dl
l l l r
De donde:
r= log (1 +
)
Figura 4.10. Representación esquemática de la diferencia existente entre las curvas tensión-deformación ingenieril y real.
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 queel ensayo de dureza
se utiliza con gran frecuencia en la industria para control de
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.
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
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
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 normalmenteno 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,
