Caracterización de Materiales: Ensayos Mecánicos y Propiedades Clave

¿Por qué se Realizan Ensayos de Materiales?

• Determinar propiedades de materiales y fijar su posible utilización.
• Control de calidad en procesos de fabricación.
• Determinar historia previa y composición de los materiales.
• Establecer las causas de fracaso del material en servicio.
• Estudio de nuevos tipos de materiales.

Ensayo de Tracción Uniaxial

Se realiza con una probeta normalizada, a velocidad de carga constante y es un ensayo destructivo.

Propiedades Elásticas

Ley de Hooke (Región Elástica)

σ_n = E · ε_n

Donde:

• σ_n es la tensión nominal [MPa = 10⁶ N/m² = N/mm²]
• E es el Módulo de Elasticidad o Módulo de Young
• ε_n es la deformación nominal

Generalmente, se cumple que:

E_cerámicos > E_metálicos > E_polímeros

Además, ΔE ∝ ΔF_enlace ∝ ΔT_fusión (El Módulo de Elasticidad es proporcional a la fuerza de enlace y a la temperatura de fusión).

Coeficiente de Poisson

ν = -ε_lateral / ε_longitudinal

Propiedades de Resistencia y Deformación

Límite Elástico (σ_y)

Es la tensión máxima que un material puede soportar sin sufrir deformaciones plásticas permanentes.

• Para metales: σ_y se define comúnmente como la tensión correspondiente a un 0.2% de deformación plástica permanente (Límite Elástico Convencional o de Fluencia).
• Para Polímeros: Puede definirse como (σ_máx + σ_mín) / 2 en ciertos contextos de comportamiento.

Resistencia a la Tracción (R_t)

Es la máxima tensión nominal que soporta la probeta a tracción antes de la estricción o la fractura.

Resistencia a la Rotura

Es la tensión que soporta el material en el punto de rotura.

Propiedades de Tenacidad y Ductilidad

Ductilidad

Medida del grado de deformación plástica que puede ser soportada por un material antes de la rotura.

Deformación Porcentual Total

Deformación % total = 100 · (longitud final de marcas - longitud inicial) / longitud inicial

Indica la calidad del material y la presencia de defectos o poros.

Porcentaje de Reducción de Área (Estricción)

% Reduc. Área (Estricción) = 100 · (Área inicial - Área final) / Área inicial

Tenacidad

Capacidad de absorber energía hasta la rotura, tanto en deformación elástica como plástica. (Gráficamente: mayor área bajo la curva = material dúctil; menor área = material frágil).

Resiliencia (U_r)

Capacidad de un material de absorber energía elástica cuando es deformado.

Ur = 0.5 · (σy)2 / E

Deformaciones Verdaderas

Las deformaciones verdaderas se utilizan para describir el comportamiento del material más allá del límite elástico, especialmente durante la estricción.

ε_real = Ln(1 + ε_n) = Ln (A₀/A) = 2 Ln (D₀/D)

σ_real = σ_n · (1 + ε_n) = σ_n · (A₀/A) = σ_n · (L/L₀)

Endurecimiento de Materiales

• Por Deformación: Aumento de la resistencia cuando el material ha sido deformado plásticamente.
• Por Solución Sólida: Mejoran las propiedades mecánicas, pero empeoran la ductilidad, la resistencia a la corrosión y la conductividad eléctrica.
• Por Precipitación: Endurecimiento debido a la formación de precipitados en la matriz del material.
• Por Reducción de Tamaño de Grano: Aumento de la resistencia al reducir el tamaño de los granos cristalinos.

Propiedades Mecánicas Específicas

Propiedades Mecánicas de Cerámicos

Se caracterizan por tener altas temperaturas de fusión, ser duros, frágiles y porosos. Trabajan mejor a compresión que a tracción. Su comportamiento a fractura se describe a menudo con un bajo módulo de Weibull.

(MOR - Módulo de Rotura: solo zona elástica hasta rotura).

Propiedades Mecánicas de Polímeros

• Si aumenta la velocidad de deformación: aumenta la fragilidad, disminuye la deformación porcentual a rotura y aumenta la dificultad de desenredo de las cadenas poliméricas.
• Si aumenta la temperatura: disminuyen los módulos de elasticidad, disminuye la resistencia a la rotura y aumenta la deformación porcentual a rotura.

Ensayos de Dureza

Dureza Brinell (HBW)

Se utiliza una bola de carburo de tungsteno (WC) de diámetro D.

HBW = 2P / (πD(D - √(D2 - d2)))

Donde:

• P es la carga aplicada.
• D es el diámetro de la bola.
• d es el diámetro de la huella.

Factor de carga: Qfactor de carga = P / D2

Dureza Rockwell (HRx)

Se utiliza una bola de acero (escalas B, F, G) o un cono de diamante (escalas A, C, D).

HR = N - (h/S)

Donde N y S dependen de la escala, y h es el incremento en la penetración.

Dureza Vickers (HV)

Se utiliza una pirámide de diamante con 136° entre caras opuestas.

HV = 1.854 F / d2

Donde:

• F es la carga aplicada.
• d es la longitud promedio de las diagonales de la huella.

Microdureza Knoop

Similar a Vickers, pero realizada con microscopía para huellas muy pequeñas. Requiere una escala de medida específica para la longitud de la huella.