Propietats i assaigs de materials industrials

1. Processos industrials: selecció de materials

• A) Propietats (p. ex., per a una olla: resistir altes temperatures sense deformar-se).
• B) Qualitats estètiques (color, textura i forma — objectius de seguretat: color per a localització; superfície polida per a neteja; forma atractiva per a la venda).
• C) Procés de fabricació (si el material desitjat es deixa treballar bé).
• D) Cost (qualitat final, tipus de consum i vida útil; tots els processos comporten un cost — cal valorar si aportarà beneficis).
• E) Disponibilitat (sèries curtes/llargues de producte — per saber la quantitat de material necessària).
• F) Impacte ambiental (possibilitats de reciclar/reutilitzar).

2. Propietats mecàniques

Forces de cohesió: forces internes que mantenen units els àtoms del material.

Resistència mecànica

Resistència mecànica: capacitat d'un material de suportar esforços sense deformar-se o trencar-se.

Tipus d'esforços

• Tracció: estirar (cordes, cables...)
• Compressió: aixafar (formigó)
• Flexió: doblegar (bigues)
• Torsió: retorçar (eixos de motors)
• Cisallament: intent de tallar (caragols)
• Vinclament: comportament per compressió (p. ex., pandeig)

La flexió és una combinació de tracció i compressió (-> zona de compressió, línia neutral — no sotmesa a cap força, <- zona de tracció ->). La capacitat de resistir flexió depèn de la secció i el material.

A. Models de deformació

(temporal — definició: elàstica; permanent — definició: plàstica)

• Comportament fràgil: es trenca sense deformació prèvia (p. ex., vidre).
• Comportament dúctil: es deforma abans de trencar-se (p. ex., alumini).
• Comportament elàstic: útil en zones sotmeses a petits esforços; recupera la forma quan s'elimina la càrrega.

B. Assaig de tracció

Proves més utilitzades: esforç unitari / allargament unitari.

C. Esforç unitari

Relació entre la força aplicada i la secció de la peça on s'aplica.

D. Allargament unitari

Relació entre l'allargament d'una peça i la llargada inicial abans de l'aplicació de l'esforç de tracció.

E. Diagrama de tracció

Provetes sotmeses a tracció fins al trencament (eix X: allargament unitari; eix Y: esforç unitari).

F. Zona elàstica

Deformació que desapareix quan s'elimina l'esforç aplicat.

G. Zona plàstica

Fluencia: el material s'allarga sense un augment considerable de l'esforç. Enduriment: provocat per la deformació — augmenta l'esforç/tensió necessari per continuar deformant. Estricció: comença la fractura; el trencament final divideix la proveta en dues parts.

2.2 Característiques mecàniques

• Mòdul elàstic: rigidesa.
• Límit elàstic: elasticitat (llindar entre comportament elàstic i plàstic).
• Esforç de trencament: resistència mecànica.
• Allargament: elasticitat / ductilitat.

2.3 Duresa

Duresa: resistència que presenta un material a ser ratllat o penetrat per un altre.

Assaig de duresa Brinell: penetrador: material molt dur (esfera) s'aplica sobre la proveta amb una càrrega durant un temps; un cop retirada la càrrega i l'esfera, es mesura el diàmetre de la marca.

2.4 Tenacitat

Tenacitat: capacitat de resistir el xoc. Propietat contrària: fragilitat.

Material tenaç: absorbeix energia cinètica del xoc i la transforma en deformació.

A. Assaig de resiliència

Corresponent a la capacitat de recuperar-se d'una deformació causada per una acció externa. Resiliència: l'energia necessària per trencar un material d'un sol cop.

1) Assaig Charpy

Màquina amb pèndol — massa de 22 kg a l'extrem; a la vertical es col·loca una proveta; es deixa caure el pèndol des d'una posició X0; quan trenca la proveta el pèndol continua el recorregut i arriba a X1 < X0 per pèrdua d'energia al xoc.

Entalla: forma de V, per a provocar el trencament a la zona desitjada.

2.5 Assaig de fatiga

Intenta reproduir les condicions de treball reals dels materials. Diagrama de Wöhler.

• Esforços de fatiga: esforços que alternen el sentit d'aplicació (tracció-compressió...).
• Resistència de fatiga: valor de l'amplitud de l'esforç que provoca el trencament després d'un nombre determinat de cicles.
• Vida a la fatiga: nombre de cicles de treball que pot suportar un material per a una determinada amplitud d'esforç aplicat.

Alguns materials tenen un límit de fatiga: és el valor màxim de l'amplitud d'esforç a aplicar perquè no es trenqui. Altres, tard o d'hora, s'acaben trencant.

2.6 Assaigs no destructius

(No deixen marques i s'apliquen a peces fetes per determinar l'absència o presència de defectes a simple vista, com fisures, esquerdes, perus...)

Avantatges

Es poden dur a terme en totes les fases: durant les diferents fases d'un procés de fabricació per comprovar si té defects, a la inspecció final dels productes per garantir que la peça compleix els requisits demanats, i per verificar que poden fer-se servir de forma segura.

Tipus d'assaigs no destructius

• Assaigs magnètics: s'aplica un camp magnètic a la peça; si no té defectes, l'ona magnètica serà constant; si hi ha un defecte, provoca una variació que desvia les línies de força del camp magnètic (només amb materials ferromagnètics).
• Assaigs de raig X / gamma: la radiació travessa la peça i impressiona una placa fotogràfica situada al darrere. Si no hi ha defectes la radiació s'absorbeix de forma uniforme i la placa queda impresa uniformement; si hi ha defectes apareix una zona més clara o més fosca.
• Assaigs per ultrasons: es col·loquen l'emissor i el receptor sobre la peça i s'envien ones ultrasonores; si no hi ha defectes, tornen perfectament i a la pantalla apareixen dos pols (sortida i entrada); si hi ha defectes apareixen tres pols (sortida — eco del defecte — eco d'arribada).

3. Propietats tèrmicas

Conductivitat tèrmica: és la facilitat que té un material per permetre el flux d'energia tèrmica a través seu.

Dilatació tèrmica

Dilatació tèrmica: fenomen que provoca l'augment de les dimensions d'un material (p. ex., els metalls quan augmenta la temperatura). Depèn del material i de l'increment de temperatura.

Cada material té un coeficient de dilatació propi; aquest valor indica l'increment de dimensió per cada grau d'augment de temperatura.

S'ha de tenir present a l'hora de construir un element metàl·lic. També té moltes aplicacions industrials.