Propiedades Mecánicas de los Metales Ensayos de






DESCRIPCIÓN DE LAS PROPIEDADES Y ENSAYOS DE LOS METALES

Por qué algunos metales se pueden doblar fácilmente, mientras que otros se rompen? ¿Por qué algunos se pueden estirar y otros no? Simplemente, porque los metales tienen diferentes propiedades, las cuales debe conocer el ingeniero si quiere utilizarlos adecuadamente. Las propiedades de los metales que interesan desde este punto de vista, son las que se refieren a la manera de comportarse cuando se les somete a fuerzas y presiones. Los procesos que se llevan a cabo en un taller mecánico (tales como cortado, doblado, estirado, etc.) tienen por objeto, esencialmente, utilizar fuerzas y presiones para dar a los metales la forma deseada.

IMPORTANCA DE CONOCER LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES: Todos los ingenieros manejan cotidianamente los materiales. Estas sustancias se manufacturan y procesan; con ellas se diseñan y construyen componentes o estructuras, se seleccionan y analizan sus fallas, o simplemente se prevé un funcionamiento adecuado de los materiales.

A todos los ingenieros de manufactura interesa mejorar las características del producto que se diseña o fabrica. Los ingenieros en electricidad y en electrónica requieren de circuitos integrados que funcionen adecuadamente, de interruptores que reaccionen de manera instantánea en las computadoras y de aislantes que soporten altos voltajes, aun en las condiciones más adversas. Los ingenieros civiles y los arquitectos desean construir estructuras sólidas y confiables que sean estéticas y resistan la corrosión.

Los ingenieros petroleros y los químicos requieren barrenas de perforación o tuberías que resistan condiciones severas de abrasión y corrosión. Los ingenieros de automóviles buscan materiales de poco peso a la vez que resistentes. Los ingenieros aeroespaciales demandan materiales ligeros que se comporten adecuadamente, tanto a elevadas temperaturas como en el gélido vacío del espacio exterior. Los ingenieros metalúrgicos, así como los especialistas en cerámicos y polímeros, desean producir y conformar materiales que sean económicos y tengan propiedades cada vez mejores.

La finalidad de este libro es permitir al estudiante percatarse de los tipos de materiales disponibles, entender su comportamiento general y sus capacidades, y reconocer los efectos del ambiente y de las condiciones de operación sobre el rendimiento de los materiales.

El comportamiento mecánico de los materiales se describe mediante sus propiedades mecánicas, que son simplemente los resultados idealizados de ensayos. Estas pruebas están diseñadas para representar diferentes tipos de condiciones de carga.

El ensayo de tensión describe la resistencia del material a un esfuerzo de tensión aplicado lentamente; los resultados definen el esfuerzo de fluencia, la ductilidad y la rigidez del material. El ensayo de fatiga permite entender cómo se comporta un material cuando se aplica un esfuerzo repetido cíclico; el ensayo de impacto indica la resistencia al choque del material, y el ensayo de termofluencia proporciona información sobre la capacidad de carga del material a temperaturas elevadas.

Finalmente, el ensayo de dureza, además de medir la resistencia al desgaste y a la abrasión del material puede correlacionarse con otras propiedades mecánicas. Aunque se usan muchas otras pruebas, incluyendo algunas muy especializadas, para describir el comportamiento mecánico, las propiedades obtenidas con estos cinco ensayos son las más comúnmente presentadas en los manuales. Sin embargo, cabe hacer notar siempre que las propiedades que señalan los manuales son valores promedio de ensayos idealizados, y deben emplearse con precaución.

ELASTICIDAD
Cuando sobre un alambre se hace actuar una fuerza, se produce en él una deformación, que en los cuerpos elásticos desaparece al cesar la fuerza. Si las deformaciones son pequeñas, se pueden considerar todos los cuerpos como elásticos; pero, si se van aumentando, llega un momento en que el cuerpo conserva una cierta deformación permanente al cesar la acción que la produjo, y entonces se dice que se ha pasado el límite de elasticidad. Por debajo de este límite, se cumple la Ley de Hooke. que dice que la fuerza elástica de reacción es proporcional a la magnitud de la deformación.

La resistencia que los distintos metales presentan al sufrir deformaciones viene dada por unos módulos, que se determinan experimentalmente. Un metal puede sufrir deformaciones por tres motivos: tracción, compresión y cizalladura.

El módulo de elasticidad de un metal, o módulo de Young (índice de su resistencia, a la tracción o a la compresión) es el cociente entre la presión deformadora y la correspondiente deformación unitaria (relación entre el incremento de longitud producido por tracción y la longitud inicial).

Diagrama de Tracción de un Metal

El módulo de elasticidad es la pendiente del diagrama esfuerzo-deformación en la región linealmente elástica y su valor depende del material en particular que se ensaya.

El Módulo de Young se determina colgando de alambres de igual sección y longitud, de los metales en estudio, pesos iguales, y midiendo las elongaciones producidas. Si incrementamos sucesivamente estos pesos, llegaría un momento en que el alambre del metal de menor resistencia a la tracción se rompería, es decir, habríamos alcanzado su límite de ruptura, magnitud que nos indica la carga máxima que un metal puede soportar. Cuanto mayor es el módulo de elasticidad de un metal, más fuerza, más energía poseen, y serán necesarias máquinas más pesadas para su mecanizado.

Conceptos Báicos del Grafico:
Curva esfuerzo-ruptura:
Método para registrar los resultados de una serie de pruebas de termofluencia graneando el esfuerzo aplicado en función del tiempo de ruptura. (imagen superior)

Deformación (concepto usual en ingeniería) Grado en que se deforma un material por unidad de longitud en un ensayo de tensión.


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Deformación elástica: Deformación del material que desaparece cuando se anula o retira la carga.

Deformación plástica: Alteración permanente de la longitud del material cuando se aplica una carga y después se retira.

Deformación real: Deformación efectivamente producida cuando se aplica una carga a un material.

Tipos de Esfuerzos Sobre la Pieza

tabla de los esfuerzos en los ensayos

Diversos Tipos de Esfuerzos a Aplicar Según el Ensayo a Realizar

DUCTILIDAD
Al estirar un metal, se comporta como una pieza de goma, pero la elongación es mucho más pequeña. Esto permite hacer resortes de metal (un resorte vuelve siempre a su posición, independientemente de las veces que se use). Esta elasticidad puede a veces ser molesta en los trabajos, ya que el metal no se puede curvar con facilidad para obtener una nueva forma. A veces el metal se ablanda si se calienta; entonces se curva y a continuación se recalienta, para recuperar las propiedades primitivas.

Si un metal se estira demasiado se hace plástico y entonces se puede alargar como si fuese una masilla. Una barra de metal que se estira con una fuerza pequeña vuelve a recuperar su posición original cuando se elimina la fuerza. Si la fuerza excede un cierto límite, la barra se deforma para siempre. Si se aumenta aún más la fuerza, la barra continúa alargándose, hasta que llega un momento en que se rompe (punto de alargamiento final). Se puede observar este fenómeno en la figura superior, que indica el ensayo a tracción de un metal.

Los metales que se pueden alargar mucho cuando se estiran, se dice, que son dúctiles. Cuando se estira una barra en una máquina de prueba se puede hallar la elongación de una determinada longitud (llamada longitud de la escala). El porcentaje de elongación del hierro dulce es del 15 al 20 %; del latón, del 30%; y del aluminio puro, del 40%.

Algunos metales se alargan mucho: es decir, tienen una ductilidad alta, y se pueden deformar fácilmente por procesos mecánicos, especialmente si tienen una resistencia a la tensión baja (resistencia a las fuerzas de alargamiento). Esto permite fabricar recipientes de paredes finas a partir de láminas planas.

El alambre se fabrica pasando una barra de metal dúctil a través de un agujero muy pulido, hecho en un taco de metal duro, por el que la barra se va estirando en diámetros cada vez más pequeños. Cuanto más pequeño es el diámetro, más largo será el alambre. El cobre se puede estirar hasta el diámetro de un cabello. Incluso pueden fabricarse, por este método, tubos huecos tan finos como un cabello.

Una barra de acero se puede estirar, pero con gran dificultad, y poco a poco, porque el acero es menos dúctil que el cobre. Incluso en esta operación es de importancia la dureza del metal, ya que si se intenta una gran reducción de diámetro, se puede romper la barra.

El alambre o las barras estiradas tienen una superficie muy suave, ya que se pulen por contacto con un cuño de me-
tal duro. Generalmente es redondo y sin defectos en la superficie y se puede usar para muchos fines sin ulterior tratamiento. Cuando un metal se estira o se deforma por algún medio, en frío, su estructura cristalina se deforma, haciendo que el metal se endurezca.

Por tanto, una lámina o barra de metal brillante (que frecuentemente se ha estirado en frío), es difícil de curvar sin que se rompa. Si es necesario, se puede templar el metal (calentar y después enfriar lentamente) para ablandarlo sin que pierda su acabado.

PLASTICIDAD
Los que hayan usado plastilina o arcilla para moldear figuras saben que estas materias pueden adaptarse a la forma que uno desee darles. Muchos metales se comportan de la misma manera, si se trabajan con la suficiente fuerza, y pueden tomar formas completamente diferentes a las que tenían. Se dice entonces que los metales son plásticos.

Los metales pueden ser extruídos, lo que se hace por un procedimiento conocido como extrusión de irrvpacto/ que se usa para hacer envases, tubos de pasta dentífrica y otros recipientes de pared delgada.

Un lingote de un metal se coloca en un agujero profundo de un molde de metal duro. Un martinete desciende sobre el lingote con gran fuerza y lo comprime dentro del agujero. Por la presión, el metal se hace plástico y sólo puede salir por el pequeño espacio entre el martinete y la cavidad del molde.

El metal se extruye hacia arriba por este espacio, formando un tubo de pared fina. Todo esto sucede en unos segundos, o menos, con lo que el sistema tiene un gran rendimiento. Metales como el aluminio son muy apropiados para esta clase de procesos.

Todos los metales dúctiles permiten un flujo plástico; pero algunos metales, como el plomo, se pueden deformar fácilmente, aunque no son dúctiles. Estos metales se pueden trabajar con martillo y laminar, y se les llama maleables. El aluminio es maleable y dúctil a la vez; se puede laminar en hojas delgadas de una milésima de centímetro.

Muchos metales se hacen plásticos si se calientan al rojo vivo, aunque no lo sean en frío. El hierro se deforma fácilmente cuando se calienta al rojo vivo. La mayor parte de las barras y láminas de hierro se trabajan en caliente.

El forjado, otro procedimiento de trabajo en caliente, puede dar al hierro cualquier forma.

Forjado en Caliente de una barra de acero

Con fuerzas relativamente pequeñas se pueden hacer cambios grandes de sección, y ésta es la gran ventaja del forjado. Además, los cristales del metal no se endurecen, por lo que se conserva blando y fácil de curvar.

El efecto combinado de la contracción, al enfriarse el metal, y la oxidación de la superficie, son desventajas del método de trabajo en caliente. Por tanto, para lograr condiciones plásticas adecuadas, es necesario usar maquinaria y elegir los metales cuidadosamente.

TENACIDAD
La tenacidad es la propiedad que tienen los metales de deformarse continuamente sin romperse; en otras palabras, un metal tenaz es aquel que no se puede estirar con facilidad. Algunos metales se pueden doblar hacia adelante y hacia atrás, o retorcer muchas veces sin que se rompan. Imagínese la importancia de esta propiedad en las uniones de vagones de ferrocarril, en los eslabones de una cadena, o en la caja de trasmisión de un eamión pesado, donde una rotura tendría graves consecuencias.

Los metales blandos pueden ser muy tenaces. Esto se evidencia si uno trata de romper un trozo de alambre de cobre, doblándolo o retorciéndolo. Los metales tenaces son difíciles de tornear, ya que el metal cortado, o viruta, no se separa fácilmente del bloque principal. Los metales que son a la vez duros y tenaces, como los aceros al cromo-níquel, necesitan herramientas especiales de cortado y máquinas muy potentes.

DUREZA:
De define la dureza como la resistencia a la penetración. Se comprueba con mucha facilidad, apretando contra la superficie del metal una bola de rodamiento o una punta de diamante en forma de pirámide. En la práctica, no es necesario calcular el grado de dureza.

Medición de la Dureza del Metal

El diámetro de la huella o la diagonal se miden con un microscopio y el grado de dureza se obtiene con una tabla. El acero ordinario medio tiene un grado de dureza de 200; el latón blando, del orden de 100, y el aluminio puro, de 20 solamente.

El acero endurecido tiene un grado de dureza de 700 a 800 y algunos materiales para herramientas de corte, 1.200 o más. Un metal sólo puede cortarse con una sustancia que sea más dura que él. Las herramientas de corte deben hacerse, por lo tanto, con el acero más duro o con carburos metálicos (tales como el carburo de wolframio), que todavía lo son más. Para fabricar estas herramientas hay que utilizar materiales del más alto grado de dureza: carburo de silicio u óxido de aluminio.

De ellos, en hornos eléctricos se obtienen cristales y con estos cristales se fabrican las ruedas de afilar (amolar). Para cortar metales extremadamente duros es preciso, a veces, utilizar diamantes, único medio de darles un borde cortante que sea liso y afilado a la vez.

Resulta necesario disponer de metales duros, que resistan el desgaste. El motor de automóvil tiene muchas piezas de gran dureza; las bolas o municiones de los rodamientos de una bicicleta, por ejemplo, han de serlo también. El único sistema de conseguir el acabado de las piezas de acero es el pulido; he aquí otro ejemplo de cómo los métodos de trabajo en los talleres dependen de las propiedades de los metales.

Algo mas sobre el ensayo… El ensayo de dureza mide la resistencia a la penetración sobre la superficie de un material, efectuada por un objeto duro. Se han diseñado diversas pruebas de dureza, pero las comúnmente usadas son el ensayo Rockwell y el Brinell

En el ensayo de dureza Brinell una esfera o bola de acero duro, normalmente de 10 mm de diámetro, se presiona sobre la superficie del material. Se mide el diámetro de la marca producida en la superficie y se calcula el índice de dureza Brinell (BHN, de Brinell hardness number) mediante la ecuación siguiente.

fórmula de dureza brinnell

donde F es la carga aplicada en kilogramos fuerza, D es el diámetro del penetrador en milímetros, y D¡ es el diámetro de la marca en milímetros.

El ensayo de dureza Rockwell utiliza una bola de acero de diámetro pequeño para materiales suaves, y un cono de diamante (Brale) para materiales más duros. La profundidad de la penetración la mide automáticamente el instrumento de prueba, y es convertida a un índice de dureza Rockwell.

FRAGILIDAD
Los materiales que son frágiles se rompen sin deformarse. Se puede pegar porcelana rota, por ejemplo, sin que se noten apenas las señales de la rotura.

El conocimiento del grado de fragilidad de los materiales es de mucha utilidad en ingeniería, pues los que son frágiles no ceden, sino que se rompen sin previo aviso. Los materiales frágiles, por otra parte, son generalmente rígidos y muy indicados para adquiriendo a medida que se enfría.

El hierro colado es probablemente el metal írágil que más abunda. Su obtención resulta económica y puede dársele en el colado formas complicadas, incluso en espesores delgados. Debido a su rigidez y fortaleza, se utiliza mucho para construir bancadas de máquinas, herramientas que han de conservar su precisión durante todo el tiempo de uso. No obstante, como se puede romper con facilidad, por ser frágil, se han de tomar precauciones especiales al manejar las piezas de fundición.

Los metales frágiles que se usan en fundición no pueden ser doblados o deformados, por lo que deben desecharse todas las operaciones que impliquen deformación. Solamente se pueden trabajar con máquinas. El hierro colado puede ser objeto de un tratamiento que le quita fragilidad, pero, aun así, no es tan dúctil como otros materiales. Muchos metales se vuelven duros y frágiles por tratamiento al calor, y solamente entonces pueden ser objeto de tratamiento mecánico. Los metales frágiles se rompen con frecuencia, por golpes o caídas, y tienden a agrietarse.

Estos ejemplos demuestran cómo las propiedades de los metales están relacionadas con el procedimiento de obtención y los métodos de trabajo que les pueden ser aplicados. La barra o plancha negra de acero se ha laminado en caliente y normalmente en una forma blanda del metal.

El material brillante se ha laminado o estirado en frío. Es limpio y preciso, pero puede ser difícil de deformar. Las fundiciones, tanto las de superficie rugosa procedente de moldes de arena, como las lisas, obtenidas con moldes metálicos, casi siempre son inadecuadas para los procesos de deformación.

Cada metal, además, tiene propiedades que le son características. El cobre es siempre blando, resistente y dúctil, pero su aleación, el latón (cobre y cinc) puede ser dúctil o frágil, y otra aleación, el bronce (cobre y estaño), puede ser tan tenaz y elástico como el acero.

Cada metal ha de ser escogido de acuerdo con su futuro empleo. Los fabricantes utilizan especificaciones que señalan con bastante claridad y detalle la composición y propiedades de cada uno de los metales. Para tener éxito en el taller, el ingeniero o mecánico debe conocer estas propiedades y ser capaz, además, de tratar cada metal del mejor modo.

ALGO MAS SOBRE ELASTICIDAD…

Una pelota de goma sólida puede ser estirada, comprimida, doblada o retorcida y siempre volverá a su forma original cuando cese la tensión exterior. La propiedad que le permite comportarse así es la elasticidad. Sin ninguna duda, cuando se menciona la elasticidad la goma es el primer material que se nos viene a la mente, porque se trata de un material que puede ser indefinidamente deformado y sin embargo volver a su forma original.

Pero, aunque parezca extraño, todos los sólidos poseen esta propiedad en cierto grado aunque a veces resulte apenas perceptible. El único metal en el cual la elasticidad está bien desarrollada es el acero, y aun entonces debe tratarse de acero endurecido. Esto se consigue por un enfriamiento rápido o templado del acero al rojo sumergido en agua helada.

Los aceros templados son duros y quebradizos, pero muy elásticos. Los resortes casi siempre se hacen de acero templado que ha sido ligeramente recalentado o revenido, proceso que si bien destruye parte de su elasticidad lo hace más dúctil y resistente.

Cuando los ingenieros calculan un puente necesitan conocer la resistencia a la tracción del acero que se emplea en la construcción (es decir, el comportamiento del metal bajo la acción de esfuerzos que tienden a estirarlo), porque ésta determina la cantidad, dimensiones y posición de las vigas necesarias.

Del mismo modo, la resistencia a la tracción de la goma es de suma importancia para los fabricantes de cubiertas y artículos similares. Esto se determina colgando y adicionando peso en uno de los extremos de un alambre o cable de la sustancia bajo prueba, estando fijo el otro extremo.

Al principio el alambre o cable sufre alargamientos iguales ante aumentos iguales de la carga. Por ejemplo, si un peso de una tonelada estira un alambre de acero medio milímetro, un peso de dos toneladas lo estirará un milímetro, y así siguiendo.

Y cuando los pesos son retirados, el alambre recupera su longitud original. El hecho de que el alargamiento de un alambre era proporcional a la fuerza aplicada fue descubierto por Hooke ya en 1650. Pero este proceso no continúa indefinidamente; se llega a un punto en que el alambre o barra se alarga mucho más de lo que correspondería para la carga agregada. Además, cuando se retiran los pesos, ya no recupera su longitud original. El punto en que esto sucede se denomina límite elástico.

Los alargamientos aumentan rápidamente después de alcanzar el límite elástico hasta que el material finalmente se rompe al llegar al punto de rotura. Tratándose de construcciones metálicas, los ingenieros deberán asegurarse de que las vigas jamás serán solicitadas por un esfuerzo superior al necesario para alcanzar el límite elástico.

Las propiedades elásticas de los materiales se deben a las fuerzas que actúan entre los átomos o moléculas. La razón por la cual la goma es tan elástica es que está constituida por largas cadenas moleculares, la mayoría de las cuales están dobladas como sogas entremezcladas.

curva de elasticidad

Cuando el material es estirado las cadenas simplemente se enderezan, y cuando el esfuerzo desaparece vuelven a su estado original de entrecru-zamiento. Muchos otros materiales, como la lana y la seda, están constituidos por cadenas moleculares, pero en la mayoría de los casos los fuertes vínculos entre las cadenas impiden que se enrollen sobre sí mismas y su elasticidad no resulta tan pronunciada.

Luegos de los ensayos y determinadas sus propiedades los materiales tienen sus distintas aplicaciones en la industria o en los bienes de uso. A continuacion se muestra una tabla con los usos mas comunes de los elementos químicos, que debido al avance de la ciencia logicamente muchos podrían estar hoy deshuso.

Metal Utilización
Paladio Aleaciones con el platino, aceros, catálisis química.
Plata Espejos, alhajas, bronces.
Platino Catálisis, contactos eléctricos, alhajas
Plomo Aleaciones para soldaduras,cañerías, pinturas.
Plutonio Radiactivo, bomba atómica.
Polonio Radiactivo, compuestos luminosos
Potasio Metal alcalino, fertilizantes.
Radio Radiactivo, medicina, pinturas luminosas
Renio Pares termoeléctricos, sustituto del cromo en los aceros.
Rodio Aleaciones, cátodos, pares termoeléctricos.
Rubidio Productos medicinales.
Selenio Células fotoeléctricas, baterías solares
Silicio Vidrio, aleaciones duras y refractarias
Sodio Jabones, sal de mesa, bicarbonato de sodio.
Talio Compuestos químicos venenosos, insecticidas, raticidas.
Tántalo Filamentos para lámparas,aleaciones refractarias.
Tkcnjecio Primer elemento producido por el hombre
Teluro Semiconductores, fotopilas,aleaciones diversas.
Titanio Pigmentos, compuestos muy refractarios, aceros especiales.
Torio Radiactivo, aleaciones.
Tungsteno Filamentos para lámparas, herramientas duras.
Uranio Radiactivo, pilas atómicas.
Vanadio Aceros especiales.
Metal Utilización
Aluminio Se usa desde hace pocas décadas y ocupa el tercer lugar detrás del hierro y el cobre.Utensilios, aleaciones livianas para aviación, cables eléctricos de alta tensión.
Antimonio Endurece el plomo de los tipos de imprenta; productos medicinales. Ignífugos. Se dilata al enfriar.
Arsénico Insecticidas, productos medicinales, industria química.
Bario
Pigmentos, cristales, fuegos artificiales
Berilio Único metal liviano con alto punto de fusión, ventana para rayos X, industrias atómicas,aleaciones con cobre, resistentes a vibraciones externas.
Bismuto Aleaciones de muy bajo punto de fusión (37°C); productos farmacéuticos.
Boro Ácido bórico. Endurecimiento del acero
Cadmio Endurecimiento de los conductores de cobre. Aleaciones de bajo punto de fusión. Galvanoplastia
Calcio Materiales de construcción, sales diversas.
Cerio Materiales refractarios livianos, semiconductores, aleaciones duras y refractarias.
Cesio Células fotoeléctricas.
Cinc Galvanoplastia, pilas.
Circonio Usos atómicos, aceros, lámparas flash
Cobalto Piezas de cohetes y satélites.herramientas para altas temperaturas, radioisótopos
Metal Utilización
Cobre Conductores eléctricos, bronces diversos.
Columbio Sólo en laboratorio. Duro y pesado
Cromo Acero inoxidable, galvanoplastia
Estaño Envoltorios, soldaduras, bronces
Estroncio Fuegos artificiales, refinerías de azúcar
Galio Termómetros para alta temperatura (funde antes de los 35° y hierve a más de 1900°C.
Germanio Transistores, válvulas termoiónicas
Hafnio Filamentos de tungsteno.
Hierro Acero, construcción. El metal por excelencia
Indio Galvanoplastia, aleaciones resistentes a los esfuerzos y la corrosión
Litio Aleaciones ligeras, pilas atómicas, síntesis orgánica.
Magnesio Aleaciones ligeras, productos medicinales, síntesis orgánicas.
Manganeso Aceros especiales (extrae el oxígeno y el azufre de la mezcla, dando un metal limpio y sólido). Usos químicos y eléctricos
Mercurio Termómetros, barómetros, aleaciones dentarias (amalgamas)
Molibdeno Aceros especiales.
Níquel Bronces blancos, monedas, revestimientos de metales.
Oro Alhajas, monedas, espejos telescopios
Osmio Metal pesado para aleaciones de la familia del platino.

Fuente Consultada:
Enciclopedia de la Ciencia y la Tecnología Fasc. N°41 Propiedades Físicas de los Metales
La Ciencia de la Ingeniería de los Materiales Donald R. askeland





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