UNIDAD II. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.
Las propiedades físicas, tal y como usamos el término, definen el comportamiento de los materiales en respuesta a otras fuerzas físicas además de las mecánicas. Estas incluyen propiedades: •Volumétricas, •Térmicas, •Eléctricas, •Electroquímicas.
Los componentes de un producto necesitan hacer algo más que soportar esfuerzos mecánicos. Deben de conducir la electricidad (ó prevenir su conducción), permitir que escape el calor, transmitir la luz y satisfacer una multitud de funciones. Las propiedades físicas son importantes en la manufactura porque frecuentemente tienen influencia sobre la realización de los procesos.
•La mayor parte de las propiedades físicas de los metales se deben al enlace característico que presentan sus elementos. Este enlace, está caracterizado por un mar/nube de electrones (Mar de Drude) sobre unos cationes fijos.
Brillo Los metales poseen un brillo metálico muy característico.
Esto es debido a que reflejan la luz que incide sobre su superficie.
Propiedades de los materiales: Las propiedades de los materiales se clasifican en: propiedades físicas, químicas y tecnológicas. Dentro de las propiedades físicas se estudian las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas , además de otras propiedades como la densidad.
Las propiedades químicas más representativas son la resistencia a la oxidación y a la corrosión. Las propiedades tecnológicas más comunes son la soldabilidad y la fusibilidad. De todas ellas centraremos nuestro estudio principalmente en las propiedades mecánicas que son las más interesantes a la hora de ser evaluadas mediante ensayos.
Propiedades generales: En este apartado vamos a estudiar las propiedades térmicas conductividad térmica, dilatación térmica, capacidad calorífica y calor específico -, las propiedades eléctricas – conductividad eléctrica -, y la densidad. Densidad: Se define como la relación entre la masa y el volumen. A la hora de escoger un material para una determinada aplicación es una propiedad muy importante. Conductividad eléctrica: Representa la capacidad de los materiales para conducir la electricidad. Por lo general los metales son buenos conductores de la electricidad, mientras que los plásticos son aislantes. Por eso nunca fabricaríamos un enchufe únicamente de metal. Dilatación térmica: Esta propiedad pone de manifiesto que al aumentar la temperatura los materiales aumentan su volumen, y al disminuir lo reducen. Conductividad térmica: Representa la capacidad de los cuerpos para transmitir el calor. Por lo general los plásticos son malos conductores del calor, por eso las asas de una pota son de plástico.
Dureza: Se define como la resistencia que opone un cuerpo a ser rayado o penetrado por otro. Esta propiedad asociada a la cohesión se valora mediante ensayos de dureza tanto al rayado como a la penetración.
Mecánicas: Las propiedades mecánicas son las que determinan el comportamiento de los materiales cuando son sometidos a fuerzas externas. Cohesión: Se define como la resistencia que oponen las moléculas de los materiales a separarse unas de otras. Maleabilidad y ductibilidad: La maleabilidad es la capacidad de los materiales de deformarse plásticamente frente a esfuerzos de compresión; La ductibilidad: Es la capacidad de los materiales de deformarse plásticamente frente a esfuerzos de tracción. Tenacidad y fragilidad : La fragilidad es la propiedad contraria a la tenacidad. Decimos que un material es frágil si su rotura se produce repentinamente y sin previa deformación; y decimos que un material es tenaz si la rotura se produce después de una deformación plástica. Mediante el ensayo de tracción, observando la curva característica del ensayo, podemos diferenciar si un material es frágil o tenaz. La mayor o menor fragilidad de los materiales la
Fatiga: Se define como la resistencia a la rotura de un material sometido a esfuerzos variables tanto en magnitud como en sentido. Esta propiedad se valora mediante el ensayo de fatiga. Resiliencia: Se define como la capacidad de un material de absorber energía en la zona elástica al someterlo a un esfuerzo de rotura. Esta propiedad se valora mediante el ensayo por choque o de resiliencia. Elasticidad: Se define como la capacidad de un material de recobrar su forma primitiva cuando cesa la causa que lo deformó; La plasticidad: Es la capacidad de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones permanentes sin llegar a romperse. La elasticidad y la plasticidad se pueden valorar mediante el ensayo de tracción.
Clasificación de los ensayos: Los ensayos se pueden clasificar en:
Según la rigurosidad del ensayo Ensayos científicos: Son ensayos que se realizan en laboratorios especializados y nos permiten obtener valores precisos y reproducibles de las propiedades ensayadas, ya que las condiciones a las que se somete el material están convenientemente normalizadas. Ensayos tecnológicos: Se hacen en fábrica e indican calidades de material.
Según la naturaleza del ensayo: Ensayos químicos: Permiten conocer la composición cualitativa y cuantitativa del material, así como la naturaleza del enlace químico o la estabilidad del material ante la presencia de compuestos corrosivos. Ensayos metalográficos: Con el uso del microscopio nos permiten conocer la estructura interna del material.
Ensayos físicos: Tienen por objeto cuantificar ciertas propiedades físicas como la densidad, la conductividad térmica y eléctrica. Ensayos mecánicos: Con ellos se determina la resistencia del material a ciertos esfuerzos. Los ensayos de este tipo más importantes son: dureza, fatiga, choque, tracción, etc.
Según la utilidad de la pieza después de ser sometida al ensayo: Ensayos destructivos: Son aquellos en los que se producen daño o rotura de la pieza sometida al ensayo. No destructivos: Se analizan los defectos del material mediante métodos de observación directa empleando rayos X, ultrasonidos, campos magnéticos, microscopios, etc.
Según la velocidad de aplicación de los esfuerzos: Ensayos estáticos: Son aquellos en los que la velocidad de aplicación de la fuerza no influye en el resultado. Un ejemplo de este tipo es el ensayo de tracción. Ensayos dinámicos: En ellos, la velocidad de aplicación de las fuerzas forma un papel importante en el ensayo. Un ejemplo es el ensayo de dureza al rayado.
Ensayos de dureza: entre los ensayos de dureza se distingue los ensayos de dureza al rayado que son dinámicos, y los ensayos de dureza a la penetración que son estáticos. A continuación se estudian ambos. Ensayos de dureza al rayado (dinámicos): el más conocido es el método Martens que consiste en medir el surco que deja una punta de diamante en forma piramidal con dimensiones normalizadas a la que aplicamos una carga constante y que se desplaza sobre la superficie del metal. Ensayos de dureza a la penetración (estáticos): se trata de averiguar la dureza de un material por la huella que deja un penetrador al que le aplicamos un peso constante, el cual se empuja contra la superficie del material cuya dureza se quiere determinar, con una fuerza determinada, durante un tiempo fijo. La velocidad de aplicación de la carga debe ser lenta para que no ejerza influencia en la medida. El valor de la dureza se obtiene dividiendo la fuerza aplicada al penetrador “F” entre la superficie de la huella que esté deja sobre el material, la cual, para una misma fuerza de empuje, será tanto menor cuando mayor sea la dureza correspondiente.
Los más empleados para los metales son: El método Brinell (HB) (UNE 7-422-85). El método Vickers (HV) (UNE 7-423-84). El método Rockwell (HRc o HRb) (UNE 7-424-89). En los dos primeros la dureza se determina en función de la superficie de la huella, mientras que para determinar la dureza por el método Rockwell lo que nos interesa es la profundidad de la huella.
ENSAYO MECANICO: TRACCION. Estudio del comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de tracción progresivamente creciente, ejercido por una máquina apropiada, hasta conseguir la rotura.
Zonas significativas: Zona elástica (OE): el material presenta un comportamiento elástico, se distinguen dos zonas distintas: Zona elástica proporcional (OP), donde la tensión es proporcional a la deformación, a esta constante de proporcionalidad se la denomina módulo de Young, y se representa por la letra E. Se mide en N/m2. Zona elástica no proporcional (PE), en ella las deformaciones no son proporcionales a los esfuerzos.
Zona Plástica (EU): el material presenta un comportamiento plástico. En este tramo se producen deformaciones permanentes. Zona de deformación plástica (ER): la probeta se deforma hasta un máximo que determina la tensión de rotura. Zona de deformación plástica localizada : el alargamiento aumenta aunque se disminuya el esfuerza, comienza a formarse el cuello de botella, en el punto U se
Ensayos de resistencia al impacto: En estos ensayos las cargas aplicadas actúan instantáneamente para medir la resistencia al choque o la tenacidad de los materiales. Los ensayos de resistencia al impacto pueden ser de dos tipos: Tracción por choque: Consisten en realizar un ensayo de tracción en el que la velocidad de aplicación de la fuerza sea alta. Este tipo de ensayos es poco frecuente. Flexión por choque: El más usado es el ensayo de resiliencia más conocido como Ensayo de Charpy. En este ensayo se usa una probeta de sección cuadrada provista de una entalladura en forma de U o V que es sometida a una carga de ruptura por el lado opuesto a la entalla, por medio de un martillo que se desplaza en una trayectoria circular. La energía absorbida por la ruptura se llama resiliencia (KCV o KCU), según sea la forma de la entalla, se calcula dividiendo la energía consumida por el material (Ep) en la rotura entre la sección de la probeta por su parte entallada (Ao) y se mide en J/m2. A continuación se representa un esquema gráfico del ensayo.
Consiste en dejar caer un pesado péndulo el cual a su paso golpea una probeta ubicada en la base de la máquina. Según la fractura que presenta la probeta se podrá decir que es un material dúctil (si solo se dobla), ó frágil (si se rompe).
Ensayos mecánicos: Compresión. Estudio del comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de compresión progresivamente creciente, ejercido por una máquina apropiada, hasta conseguir la rotura o aplastamiento.
Carga
Probeta
Ensayos mecánicos: Cizallamiento. Estudio del comportamiento de un material sometido a un esfuerzo cortante progresivamente creciente, ejercido por una máquina apropiada, hasta conseguir la rotura por deslizamiento a lo largo de la sección de cizallamiento. Carga
Probeta
Ensayos mecánicos: Flexión. Estudio del comportamiento de un material, apoyado libremente por sus extremos, sometido a un esfuerzo en su parte central progresivamente creciente, ejercido por una máquina apropiada, midiéndose la deformación Carga producida. Probeta
Ensayos mecánicos: Pandeo. Estudio del comportamiento de un material, cuya longitud es relativamente grande con respecto a la sección, sometido a un esfuerzo de compresión progresivamente creciente, ejercido por una máquina apropiada, hasta conseguir la flexión lateral o pandeo.
Ensayos mecánicos: Torsión. Estudio del comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de torsión progresivamente creciente, ejercido por una máquina apropiada, hasta conseguir la rotura. Probeta
Carga Ensayos mecánicos: Tensiones múltiples. Estudio del comportamiento de un material sometido a esfuerzos que actúan en varias direcciones (tensiones múltiples).
Metalográficos:
Emplear microscopios para observar la macro y
microestructura, es decir, el tratamiento mecánico y térmico que ha sufrido el material. Macroscópicos : desde simple vista hasta 15 aumentos. Microscópicos : desde 15 aumentos en adelante.
Selección y extracción de la probeta: Depende del fin a investigar (exterior, central, paralela, perpendicular,etc.). Desbaste: Poner al descubierto la superficie metálica libre de impurezas y dar conformación plana (limas, muelas de esmeril, carborundum, diamante, papel de esmeril). Normalmente lijas #80 hasta 320, desbaste grueso; lijas #400 hasta 1800 desbaste fino. Pulido: Obtención de una superficie reflectora (con abrasivos o electrolíticamente).
Ensayos metalográficos: Macroscopía. Suministra información sobre la macroestructura: Segregaciones. •
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Inclusiones no metálicas.
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Tratamientos termoquímicos.
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Defectos de fabricación.
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Orientación de los granos.
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Penetración del temple.
Se puede llevar a cabo sobre: •
Superficies naturales (fracturas).
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Superficies preparadas sin ataque.
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Superficies preparadas con ataque.
Ensayos metalográficos: Microscopía. Suministra información sobre la macro y microestructura: •
Estructuras de las aleaciones (tratamientos térmicos).
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Tamaño y forma de los granos.
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Naturaleza de las inclusiones no metálicas.
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Defectos microscópicos.
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Corrosiones intergranulares.
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Capas superficiales.
