Propiedades Físicas
Los materiales se seleccionan para diversas aplicaciones en función de sus propiedades físicas y químicas. Este artículo discute las diversas propiedades físicas de los materiales.
Resistencia
Resistencia es la capacidad de un material para resistir la deformación. La resistencia de un componente generalmente se considera en función de la carga máxima que puede soportar antes de que se produzca una falla. Bajo compresión simple, la carga en la fractura será la máxima aplicable sobre un área significativamente ampliada en comparación con el área de la sección transversal sin carga.
Esta ambigüedad se puede superar utilizando una imagen de esfuerzo nominal para tensión y cizallamiento. Esto se encuentra dividiendo la carga máxima relevante por el área original de la sección transversal del componente. Por lo tanto, la resistencia de un material es el esfuerzo nominal máximo que puede soportar. El esfuerzo nominal se menciona al citar la "resistencia" de un material y siempre se califica por el tipo de esfuerzo, como resistencia a la tracción, resistencia a la compresión o resistencia al cizallamiento.
Para la mayoría de los materiales estructurales, la dificultad de encontrar la resistencia a la compresión se puede superar sustituyendo el valor de la resistencia a la tracción por la resistencia a la compresión. Esta sustitución es una suposición segura, ya que la resistencia nominal a la compresión siempre es mayor que la resistencia nominal a la tracción, porque la sección transversal efectiva aumenta en compresión y disminuye en tensión.
Cuando se aplica una fuerza a un metal, las capas de átomos dentro de la estructura cristalina se mueven en relación con las capas adyacentes de átomos. Este proceso se conoce como deslizamiento. Los límites de grano tienden a prevenir el deslizamiento. Cuanto más pequeño es el tamaño del grano, mayor es el área del límite de grano. Disminuir el tamaño del grano mediante trabajo en frío o trabajo en caliente del metal del metal tiende a retardar el deslizamiento y, por lo tanto, aumentar la resistencia del metal. El trabajo en frío y en caliente se discuten en la siguiente sección.
Resistencia a la Tracción Última
La resistencia a la tracción última (UTS) es la máxima resistencia a la fractura. Es equivalente a la carga máxima que puede soportar una pulgada cuadrada de área de sección transversal (o un metro cuadrado) cuando la carga se aplica como tensión simple. Se expresa en libras por pulgada cuadrada o Newtons por metro cuadrado.
Si está disponible la curva completa de esfuerzo-deformación de ingeniería, la resistencia a la tracción última aparece como el valor de la coordenada de esfuerzo del punto más alto en la curva. Los materiales que se alargan mucho antes de romperse experimentan una reducción tan grande del área de la sección transversal que el material soportará menos carga en las etapas finales de la prueba. Una marcada disminución de la sección transversal se llama "estrangulamiento". La resistencia a la tracción última a menudo se abrevia como "resistencia a la tracción" o incluso "la última". "Resistencia última" a veces se usa pero puede ser engañosa y, por lo tanto, no se usa en algunas disciplinas.
Resistencia al Flujo
Se han definido varios términos con el propósito de identificar el esfuerzo al que comienza la deformación plástica. El valor más comúnmente utilizado para este propósito es la resistencia al flujo. La resistencia al flujo se define como el esfuerzo al que ocurre una cantidad predeterminada de deformación permanente. La parte gráfica de las primeras etapas de una prueba de tensión se utiliza para evaluar la resistencia al flujo. Para encontrar la resistencia al flujo, la cantidad predeterminada de deformación permanente se establece a lo largo del eje de deformación del gráfico, a la derecha del origen (cero). Se indica en la imagen a continuación como el Punto (D).
Se dibuja una línea recta a través del Punto (D) con la misma pendiente que la porción inicial de la curva de esfuerzo-deformación. El punto de intersección de la nueva línea y la curva de esfuerzo-deformación se proyecta al eje de esfuerzo. El valor de esfuerzo, en libras por pulgada cuadrada o Newtons por metro cuadrado, es la resistencia al flujo. Se indica en la imagen a continuación como el Punto 3. Este método de trazado se realiza con el propósito de restar la deformación elástica de la deformación total, dejando el "desplazamiento permanente" predeterminado como un resto. Cuando se informa la resistencia al flujo, se debe indicar la cantidad de desplazamiento utilizada en la determinación. Por ejemplo, "Resistencia al Flujo (con desplazamiento del 0.2%) = 51,200 psi."
Curva de Esfuerzo-Deformación de Material Frágil Típico
Ejemplos de Resistencia al Flujo
Algunos ejemplos de resistencia al flujo para metales son los siguientes.
Aluminio 3.5 x 104 a 4.5 x 104 psi
Acero inoxidable 4.0 x 104 a 5.0 x 104 psi
Acero al carbono 3.0 x 104 a 4.0 x 104 psi
Valores Alternativos
A veces se utilizan valores alternativos en lugar de la resistencia al flujo. Varios de estos se describen brevemente a continuación.
- El punto de fluencia, determinado por el método del divisor, implica un observador con un par de divisores observando la elongación visible entre dos marcas de calibre en la muestra. Cuando ocurre un estiramiento visible, se registra la carga en ese instante y se calcula el esfuerzo correspondiente a esa carga.
- Acero suave, cuando se prueba en tensión, frecuentemente muestra una característica peculiar, conocida como punto de fluencia. Si se traza la curva de esfuerzo-deformación, se observa una caída en la carga (o a veces una carga constante) aunque la deformación continúa aumentando. Eventualmente, el metal se fortalece por la deformación y la carga aumenta con más deformación. El punto alto en la porción en forma de S de la curva, donde comenzó la fluencia, se conoce como el punto de fluencia superior, y el punto mínimo es el punto de fluencia inferior. Este fenómeno es muy problemático en ciertas operaciones de embutido profundo de chapa de acero. El acero continúa alargándose y adelgazándose en áreas locales donde se inicia la deformación plástica, dejando depresiones antiestéticas llamadas estrías de estiramiento o "gusanos".
- El límite proporcional se define como el esfuerzo en el que la curva de esfuerzo-deformación se desvía por primera vez de una línea recta. Por debajo de este valor límite de esfuerzo, la relación de esfuerzo a deformación es constante y se dice que el material obedece la Ley de Hooke (el esfuerzo es proporcional a la deformación). El límite proporcional generalmente no se utiliza en especificaciones porque la desviación comienza tan gradualmente que seguramente surgirán controversias sobre el esfuerzo exacto en el que la línea comienza a curvarse.
- El límite elástico se ha definido previamente como el esfuerzo en el que comienza la deformación plástica. Este límite no se puede determinar a partir de la curva de esfuerzo-deformación. El método para determinar el límite tendría que incluir una sucesión de cargas ligeramente crecientes con descargas completas intermedias para la detección de la primera deformación plástica o "deformación permanente". Al igual que el límite proporcional, su determinación resultaría en controversia. Sin embargo, el límite elástico se utiliza como un término descriptivo y cualitativo.
En muchas situaciones, la resistencia al flujo se utiliza para identificar el esfuerzo permisible al que se puede someter un material. Sin embargo, para componentes que deben soportar altas presiones, este criterio no es completamente adecuado y deben considerarse otros factores (temas fuera del alcance de este texto).
Ductilidad
El porcentaje de elongación reportado en una prueba de tracción se define como la elongación máxima de la longitud de calibre dividida por la longitud de calibre original. La medición se determina como se muestra en la siguiente imagen.
Medición de la Elongación Después de la Fractura
La reducción de área es la reducción proporcional del área de la sección transversal de una pieza de prueba de tracción, en el plano de fractura, medida después de la fractura.
La reducción de área se informa como información adicional (al porcentaje de elongación) sobre las características de deformación del material. Los dos se utilizan como indicadores de ductilidad, la capacidad de un material para ser alargado en tensión. Debido a que la elongación no es uniforme en toda la longitud de calibre y es mayor en el centro del estrangulamiento, el porcentaje de elongación no es una medida absoluta de ductilidad. Debido a esto, la longitud de calibre siempre debe indicarse cuando se informa el porcentaje de elongación. La reducción de área, al medirse en el diámetro mínimo del estrangulamiento, es un mejor indicador de ductilidad.
Ductilidad se define más comúnmente como la capacidad de un material para deformarse fácilmente al aplicar una fuerza de tracción, o como la capacidad de un material para soportar la deformación plástica sin ruptura. La ductilidad también puede pensarse en términos de flexibilidad y aplasticidad. Los materiales dúctiles muestran una gran deformación antes de la fractura. La falta de ductilidad a menudo se denomina fragilidad. Por lo general, si dos materiales tienen la misma resistencia y dureza, el que tiene mayor ductilidad es más deseable. La ductilidad de muchos metales puede cambiar si se alteran las condiciones. Un aumento de temperatura aumentará la ductilidad. Una disminución de temperatura causará una disminución de la ductilidad y un cambio de comportamiento dúctil a frágil.
El trabajo en frío también tiende a hacer que los metales sean menos dúctiles. El trabajo en frío se realiza en una región de temperatura y durante un intervalo de tiempo para obtener deformación plástica, pero sin aliviar el endurecimiento por deformación. Las adiciones menores de impurezas a los metales, ya sean deliberadas o no intencionales, pueden tener un efecto marcado en el cambio de comportamiento dúctil a frágil. El calentamiento de un metal trabajado en frío a, o por encima, de la temperatura a la que los átomos del metal regresan a sus posiciones de equilibrio aumentará la ductilidad de ese metal; este proceso se llama recocido.
La ductilidad es deseable en aplicaciones de alta temperatura y alta presión debido a las tensiones adicionales en los metales; la alta ductilidad ayuda a prevenir la fractura frágil.
Maleabilidad
Donde la ductilidad es la capacidad de un material para deformarse fácilmente al aplicar una fuerza de tracción, la maleabilidad es la capacidad de un metal para exhibir una gran deformación o respuesta plástica cuando se somete a una fuerza de compresión. La fuerza de compresión uniforme causa deformación de la manera mostrada en la imagen a continuación. El material se contrae axialmente con la fuerza y se expande lateralmente. La restricción debido a la fricción en las caras de contacto induce tensión axial en el exterior. Las fuerzas de tracción operan alrededor de la circunferencia con la expansión lateral o el aumento de la circunferencia. El flujo plástico en el centro del material también induce tensión.
Deformación Maleable de un Cilindro Bajo Compresión Axial Uniforme
Por lo tanto, el criterio de fractura (es decir, el límite de deformación plástica) para un material plástico probablemente dependa más del esfuerzo de tracción que del esfuerzo de compresión. El cambio de temperatura puede modificar tanto el modo de flujo plástico como el modo de fractura.
Tenacidad
La calidad conocida como tenacidad describe cómo reacciona un material bajo impactos repentinos. Se define como el trabajo requerido para deformar una pulgada cúbica (las unidades métricas son joule por metro cúbico) de metal hasta que se fracture. La tenacidad se mide mediante la prueba de Charpy o la prueba de Izod.
Ambas pruebas utilizan una muestra con muesca. La ubicación y forma de la muesca son estándar. Los puntos de soporte de la muestra, así como el impacto del martillo, deben mantener una relación constante con la ubicación de la muesca.
Equipo de Prueba de Charpy
Las pruebas se realizan montando las muestras como se muestra en la imagen anterior y permitiendo que un péndulo de un peso conocido caiga desde una altura establecida. La energía máxima desarrollada por el martillo es de 120 ft-lb (163 N/m) en la prueba de Izod y 240 ft-lb (325 N/m) en la prueba de Charpy. Al calibrar adecuadamente la máquina, la energía absorbida por la muestra se puede medir a partir del movimiento ascendente del péndulo después de que ha fracturado la muestra de material como se muestra en la imagen a continuación. Cuanto mayor sea la cantidad de energía absorbida por la muestra, menor será el movimiento ascendente del péndulo y más resistente será el material.
Prueba de Tenacidad del Material
La indicación de tenacidad es relativa y aplicable solo a casos que involucren exactamente este tipo de muestra y método de carga. Una muestra de una forma diferente producirá un resultado completamente diferente. Las muescas se utilizan para confinar la deformación a un pequeño volumen de metal. En efecto, es la forma del metal además de la composición del material lo que determina la tenacidad del material.
Dureza
Dureza es la propiedad de un material que le permite resistir la deformación plástica, penetración, indentación y rayado. Por lo tanto, la dureza es importante desde el punto de vista de la ingeniería porque la resistencia al desgaste por fricción o erosión, por vapor, aceite y agua, generalmente aumenta con la dureza.
Las pruebas de dureza cumplen una necesidad importante en la industria, aunque no miden una calidad única que pueda denominarse dureza. Las pruebas son empíricas, basadas en experimentos y observación, más que en teoría fundamental. Su principal valor es como dispositivo de inspección, capaz de detectar ciertas diferencias en el material cuando surgen, incluso si estas diferencias pueden ser indefinibles. Por ejemplo, dos lotes de material que tienen la misma dureza pueden o no ser iguales, pero si su dureza es diferente, los materiales ciertamente no son iguales.
Se han desarrollado varios métodos para la prueba de dureza. Los más utilizados son Brinell, Rockwell, Vickers, Tukon, Sclerscope y la prueba de limas. Los primeros cuatro se basan en pruebas de indentación y el quinto en la altura de rebote de un martillo metálico con punta de diamante. La prueba de