Propiedades Mecánicas de los Materiales
Tensión y Deformación
La tensión es la fuerza que actúa de forma perpendicular sobre una superficie y que se compensa por una fuerza igual. Se expresa como σ = F/S (N/mm2 o MPa). Cuando la fuerza se aplica a un material pétreo o cerámico, se produce un acortamiento en la dirección de la fuerza. Si se aplica a una barra, se produce un alargamiento.
La deformación convencional (e) es la relación entre el cambio de longitud de una muestra en la dirección en que se aplica la fuerza y la longitud original de la muestra. Se calcula como e = (l – l0)/l0.
Deformación Elástica y Límite Elástico
Cuando la tensión es proporcional a la deformación, se denomina deformación elástica. La pendiente de ese segmento lineal es el módulo de elasticidad (E).
El límite elástico se determina en un ensayo a tracción. A medida que la carga aumenta, la probeta se deforma elásticamente al principio. El punto E se llama límite elástico porque, si se retira la carga, la probeta recupera sus dimensiones.
El punto de fluencia se determina como la desviación inicial de la linealidad de la pendiente tensión-deformación.
El límite elástico convencional se obtiene trazando una línea paralela a la zona elástica del diagrama a una deformación del 0,1% o del 0,2%. Luego, se traza una línea horizontal desde el punto de intersección entre la línea anterior y la parte superior de la curva tensión-deformación hasta que alcance el eje de las tensiones.
Recuperación Elástica y Resistencia Última
Recuperación elástica: Si se retira la tensión, una fracción de la deformación total es recuperada como deformación elástica. Existe un límite de elasticidad, una región de incremento de tensión con poco o ningún incremento de deformación, y una descarga (punto D) que produce un comportamiento paralelo al comportamiento elástico lineal. Al volver a cargar, la deformación sigue como si no hubiera ocurrido; el material recuerda su estado anterior.
Resistencia última: A medida que la longitud de la probeta crece, el área de la sección transversal se reduce (efecto Poisson), iniciando la estricción hasta que se origina la fractura final. Desde la deformación elástica convencional hasta la resistencia última, se produce un endurecimiento del material, haciéndolo más resistente, y la pendiente aumenta.
Coeficiente de Poisson y Módulo de Corte
El coeficiente de Poisson (ν) se define como el cociente entre la deformación lateral y la deformación axial: ν = elateral/elongitudinal. Es un valor que oscila entre 0,25 y 0,40.
El módulo de corte (G) representa la proporcionalidad entre la deformación de cizalladura y la tensión de cizalladura: τ = Gγ. Se relaciona con el módulo de elasticidad (E) mediante la fórmula: G = E/[2(1+ν)] o E = 2G(1+ν).
Tipos de Elasticidad
- Elasticidad lineal: Todos los sólidos son elásticos lineales a deformaciones menores al 0,1%. La pendiente de la recta es la misma en compresión que en tracción y es el módulo de Young.
- Elasticidad no lineal: El material sigue la misma trayectoria en descarga que en carga, y toda la energía almacenada por unidad de volumen durante la carga se recupera en la descarga.
- Comportamiento anelástico: La curva de descarga no sigue exactamente la curva de carga, y parte de la energía se disipa. Depende del tiempo. En los metales es pequeño, pero en los polímeros es mayor, denominándose viscoelasticidad. Esto es útil para amortiguar vibraciones o ruidos (por ejemplo, el plomo).
Deformación Plástica, Dúctil y Frágil
La deformación plástica ocurre cuando la deformación permanece después de retirar la carga.
- Materiales dúctiles: Tienen una deformación plástica significativa antes del fallo.
- Materiales frágiles: Presentan poca o ninguna deformación plástica antes del fallo.
Deformación Viscosa y Viscosidad
La deformación viscosa (η) es la relación entre la cizalladura aplicada (τ) y el cambio en la velocidad (dv) con la distancia (dy) en una dirección perpendicular a las placas: η = τ/(dv/dy). Es diferida e irrecuperable. En su límite, se produce la rotura por fluencia, influenciada por un punto de fusión bajo, un módulo de elasticidad reducido y un tamaño de grano grande.
La viscosidad se produce en materiales no cristalinos con cargas permanentemente altas.
Fundamentos de la Fractura
La fractura simple es la separación de un cuerpo en dos o más piezas en respuesta a una tensión aplicada estática. Esa tensión puede ser de tracción, compresión, cizalladura o torsión.
- Rotura frágil: La propagación de la grieta corresponde a la sucesiva y repetida rotura de los enlaces atómicos a lo largo de los planos cristalográficos (descohesión). En materiales amorfos, produce una superficie lisa y brillante. La rotura transgranular (clivaje) ocurre cuando las grietas pasan a través de los granos. Si ocurre a lo largo de los bordes del grano, se llama intergranular (creep).
- Rotura dúctil: En un comportamiento dúctil, ocurre en fases: estricción, formación de cavidades, coalescencia de cavidades, crecimiento de grietas y rotura formando un ángulo de 45° (copa-cono).
Estricción y Concentración de Tensiones
La estricción es la máxima disminución de la sección transversal en la zona de rotura, llegando a un punto en metales blandos como el plomo, polímeros y vidrios.
Concentración de tensiones: La teoría de la mecánica de la fractura de Griffith propuso que la discrepancia entre la resistencia cohesiva teórica y la resistencia a la fractura se explica por la presencia de defectos y grietas microscópicas. Los huecos, ranuras y fisuras son especialmente dañinos. Estos defectos ocasionan cambios en la trayectoria de las tensiones en el interior del sólido cuando está sometido a una carga, transformando la energía de deformación en energía de rotura.
Resiliencia, Ductilidad y Tenacidad
Resiliencia: Es la capacidad de un material para absorber energía elástica cuando es deformado y cederla cuando se deja de aplicar la carga. La propiedad asociada es el módulo de resiliencia, que es la energía de deformación por unidad de volumen requerida para deformar un material hasta el límite elástico.
Ductilidad: Indica el grado en que una estructura puede deformarse antes de romperse y especifica el grado de deformación permitido durante las operaciones de conformado. Es característica de los metales, termoplásticos, arcillas húmedas y conglomerantes.
Tenacidad: Es la capacidad de un material de absorber energía antes de la fractura. La tenacidad de la fractura indica la resistencia a la fractura de un material cuando existe una grieta. En el ensayo Charpy, se mide la energía consumida para romper la probeta normalizada en julios. La energía se mide en función de la diferencia entre la altura a la que se suelta la maza y la que alcanza tras romper la probeta. Para que un material sea tenaz, debe tener alta resistencia y ductilidad.
Rotura por Fatiga
La rotura por fatiga ocurre después de un período prolongado de tensiones repetidas o deformaciones cíclicas, mostrando un comportamiento anelástico. Es la causa de aproximadamente el 90% de las roturas metálicas, ocurriendo súbitamente y sin aviso. El comportamiento a fatiga empeora en condiciones ambientales corrosivas o con acabados superficiales pobres.
Bandas de Deslizamiento y Deformación Plástica en Cristales Metálicos
Las bandas de deslizamiento son escalones en los cuales ocurre una deformación, por ejemplo, al traccionar un monocristal en una probeta de zinc. Se forman por la propagación de dislocaciones sobre los planos cristalográficos denominados planos de deslizamiento.
La deformación plástica de cristales metálicos por deslizamiento requiere una alta densidad de imperfecciones o dislocaciones. Un gran número de estas se forma durante la solidificación del metal.
Efectos del Límite de Grano
A temperatura ambiente, los metales de grano fino son más sólidos, duros y resistentes a la corrosión y termofluencia. Un tamaño de grano uniforme produce una conducta más uniforme e isotrópica de los materiales. Durante la deformación plástica, las dislocaciones que se mueven a lo largo de un plano no pueden seguir en línea recta al pasar de un grano a otro. A medida que aumenta el número de granos y disminuye su diámetro, las dislocaciones dentro de cada grano pueden recorrer una distancia menor antes de encontrar el límite de grano, donde culmina su movimiento. Por eso, los granos finos poseen una resistencia mayor.
Acritud
La acritud es el fenómeno de endurecimiento por trabajo en frío. Un metal dúctil se hace más duro y resistente a medida que es deformado plásticamente. La densidad de las dislocaciones aumenta con el trabajo en frío.
Endurecimiento por Precipitación y Aleación
El endurecimiento por disolución sólida permite aumentar la resistencia de los metales. Cuando los átomos sustitucionales se mezclan en estado sólido con los átomos de otro metal, se crean estados de tensión alrededor de cada átomo del soluto. Las dislocaciones dificultan el movimiento, haciendo al material más resistente que el metal puro. Sin embargo, la aleación puede reducir la tenacidad, ya que aumenta la resistencia al movimiento de las dislocaciones, elevando el límite elástico y reduciendo la zona plástica.