Propiedades Mecánicas de los Materiales: Un Estudio Exhaustivo

Propiedades Mecánicas de los Materiales

Las propiedades mecánicas determinan el comportamiento de los materiales, lo que a su vez define sus aplicaciones. Los ensayos, realizados bajo condiciones de servicio específicas, permiten:

• Determinar las propiedades de los materiales y establecer su posible utilización.
• Controlar la calidad en los procesos de fabricación.
• Determinar la historia previa y la composición de los materiales.
• Establecer las causas de fallo del material en servicio.
• Estudiar nuevos tipos de materiales.

Ensayos Mecánicos

Ensayo de Tracción Uniaxial

Es el ensayo más utilizado y está normalizado. Se realiza a velocidad de carga constante y es un ensayo destructivo. El material a ensayar se presenta en forma de probeta de sección transversal uniforme. La longitud de calibración es la necesaria para que las tensiones (σ) se transmitan de forma uniforme.

Ensayo de Compresión

Se utiliza cuando el material presenta un comportamiento frágil a tracción, y es muy común en cerámicos.

Resistencia al Impacto

La tenacidad es la energía que absorbe un material antes de fracturarse.

Ensayo de Flexión en Tres Puntos

En el punto de aplicación de carga, la superficie superior está sometida a compresión y la superficie inferior a tracción. Este ensayo soluciona la dispersión de resultados entre tracción y compresión. La resistencia a la flexión suele ser mayor que la resistencia a la tracción.

Ensayo de Cizalladura

Ensayo de Torsión

Es una variante de cizalladura pura. Se aplica una fuerza de torsión a una barra, creando un determinado ángulo de giro.

Deformación Elástica y Plástica

Deformación elástica: Al retirar la carga, la pieza recupera su forma original.

Deformación plástica: La deformación (ε) deja de ser proporcional a la tensión (σ) y se produce una deformación permanente.

Deformación Elástica

Módulo de elasticidad o de Young (E): Representa la rigidez del material o resistencia a la deformación elástica.

• Lineal: σ = E·ε
• No lineal: Se produce en algunos materiales, como ciertos polímeros, hormigón y fundición gris. E = f(fuerza de enlace); si aumenta la fuerza de enlace, aumenta E.

El mecanismo asociado a la deformación elástica es la relajación de los enlaces. A escala atómica, la deformación elástica macroscópica se manifiesta como pequeños cambios en el espacio interatómico, donde los enlaces entre átomos son estirados. Los átomos se desplazan de sus posiciones originales, pero sin llegar a alcanzar otras nuevas.

Coeficiente de Poisson: Relación entre las deformaciones laterales y axiales. Toda deformación elástica longitudinal implica una deformación lateral. Es adimensional.

Deformación Plástica

La deformación (ε) deja de ser proporcional a la tensión (σ) y se produce deformación permanente. En la mayoría de los metales, la deformación elástica es menor al 0.5%. Se produce ruptura y formación de nuevos enlaces, por lo que el material no recupera su forma inicial. Los átomos se desplazan de sus posiciones iniciales a nuevas posiciones.

Deslizamiento de las dislocaciones:

• Deformación plástica sin dislocaciones: Se tienen que romper simultáneamente varios enlaces y rehacerlos tras el deslizamiento.
• Deformación plástica con dislocaciones: La rotura y formación de enlaces es secuencial, lo que implica un menor coste energético. Al moverse las dislocaciones, es más fácil que los átomos puedan deslizar. Las consecuencias son que se pueden deslizar en el interior del cristal con esfuerzos relativamente bajos y producir el desplazamiento completo sobre planos cristalinos. Esto explica la deformación plástica en metales y por qué el módulo de elasticidad teórico es mayor que el experimental.

El movimiento de las dislocaciones es paralelo a las direcciones de máximo empaquetamiento. A mayor distancia entre planos, menor es la fuerza de atracción entre ellos y más fácil es el deslizamiento.

La deformación plástica, permanente, tiene lugar cuando los átomos deslizan entre ellos. El deslizamiento ocurre a lo largo de planos cristalográficos específicos, que dependen de la estructura.

Parámetros Mecánicos

Límite elástico: Tensión (σ) a partir de la cual se produce deformación permanente. El límite elástico convencional (el más admitido en metales) es aproximadamente el 0.2% de la deformación.

Resistencia a la tracción: Máxima tensión nominal que soporta la probeta a tracción.

Resistencia o carga a la rotura: Tensión que soporta el material en el punto de rotura. Cuanto más dúctil es el material, mayor es la estricción y más se aleja del valor de la resistencia a la tracción. La resistencia a la rotura da una idea de la presencia de defectos en el material.

Deformación porcentual total: Aumento porcentual de la deformación que experimenta la probeta. Es un índice de la ductilidad del material. Disminuye si hay defectos en el material. Se mide una vez que la probeta ha roto y el material ha recuperado la deformación elástica.

Reducción de área: Se mide una vez que se ha roto la probeta. La ductilidad indica al diseñador hasta qué punto puede deformar un material antes de que rompa y cuántas operaciones de conformado puede realizar.

Área bajo la curva: Es una medida de la tenacidad: capacidad de absorber energía hasta la rotura, en deformación plástica. Tiene importancia en aplicaciones estructurales, ya que representa la capacidad de absorción de energía.

Módulo de resiliencia (Ur): Capacidad de un material de absorber energía elástica cuando es deformado. Es la energía de deformación por unidad de volumen necesaria para deformar un material hasta el límite elástico.

Tensión-Deformación verdaderas: Las dimensiones originales cambian durante el ensayo. La deformación real se utiliza cuando las deformaciones son grandes y la longitud base cambia a lo largo del ensayo.