Propiedades Mecánicas de los Materiales: Ensayos de Tracción, Fatiga y Resiliencia en Procesos Industriales

Materiales, procesos industriales:

Materiales y energía son dos elementos imprescindibles en el proceso industrial.

Criterios de selección de materiales:

Propiedades, cualidades estéticas, procesos de fabricación, coste, disponibilidad, impacto medioambiental.

Propiedades mecánicas:

Describen el comportamiento de los materiales ante la aplicación de fuerzas externas. Estas fuerzas se oponen a las fuerzas internas o fuerzas de cohesión. Las fuerzas externas son muy inferiores a las de cohesión interna: el material resistirá, pero si superan las internas, el material se deformará o romperá. Para medir estas propiedades, los materiales se someten a diversas pruebas de laboratorio o ensayos.

Alargamiento unitario:

Relación entre Al y la longitud inicial (L₀).

Resistencia mecánica y ensayo de tracción:

La resistencia mecánica es la capacidad que tiene un material para soportar esfuerzos sin deformarse ni romperse.

• Tracción: estirar.
• Compresión: aplastar.
• Flexión: doblegar.
• Torsión: retorcer.
• Cizallamiento: cortar.

Flexión: tracción y compresión juntas.

• Tracción: sección elevada.
• Compresión: sección elevada, poca longitud.
• Flexión: sección elevada, canto mayor, poca longitud.
• Torsión: sección elevada.
• Cizallamiento: sección elevada.

Módulos de deformación y comportamiento mecánico:

Deformación temporal: deformación elástica.
Deformación permanente: deformación plástica.

• Comportamiento frágil (vidrio, cerámica).
• Comportamiento dúctil (cobre, aluminio).

Esfuerzo unitario:

Relación entre la fuerza aplicada al material y su área.

Equivalencias: 1 N/mm² = 1 MPa; 1 MPa = 10⁶ Pa.

Diagrama tracción:

Permite determinar las características mecánicas de los materiales a partir del ensayo de tracción (probetas circulares).

El esfuerzo unitario máximo que se utiliza en el diseño de una pieza se conoce como la tensión máxima de trabajo. A mayor coeficiente de seguridad, más segura será la pieza.

Cuando tenemos una curva con una longitud menor a la normal, nos indica la presencia de poros o defectos graves en la muestra.

Alargamiento (A%):

En el ensayo de tracción, la deformación siempre es un alargamiento. Tiene una importancia especial el que experimenta la muestra justo en el momento de romperse. El porcentaje de alargamiento se utiliza para medir la ductilidad de los metales.

• Dúctil: mayor valor.

Características mecánicas de los materiales:

El valor del módulo elástico nos indica la rigidez. El límite elástico, la elasticidad, el esfuerzo de rotura, la resistencia mecánica y el alargamiento determinan la plasticidad de los materiales.

Tenacidad:

Capacidad de resistencia al choque. Es la propiedad contraria a la fragilidad. Los materiales tenaces son capaces de absorber mucha energía cinética en un choque, transformarla en energía plástica o elástica y evitar la rotura.

Ensayo de resiliencia:

Energía necesaria para romper un material con un solo golpe. El ensayo de resiliencia se denomina ensayo de resistencia al choque. El valor obtenido es una manera indirecta de medir la tenacidad de los materiales.

Ensayo de fatiga:

Esfuerzos que alternan su sentido de aplicación de manera repetitiva o cíclica. El ensayo de fatiga intenta reproducir las condiciones reales de trabajo (curva S-N o diagrama de Wöhler).

Resistencia a la fatiga:

Es el valor de la amplitud del esfuerzo que provoca la rotura de un material después de un número determinado de ciclos.

Vida a la fatiga:

Número de ciclos de trabajo que puede soportar un material para una determinada amplitud de esfuerzo, representada por N.

La rotura por fatiga siempre se inicia en la superficie de los materiales.

Fórmulas:

• Alargamiento unitario = ε = Al / L₀
• ε (%) = (Al / L₀) · 100
• Al = L_f − L₀
• Área circular = π · r²
• Área rectangular = b · h
• Esfuerzo unitario = σ = F / A = N / mm²
• Módulo elástico = E = σ / ε
• Tensión máxima de trabajo = σ_t = σ_e / n