Resistencia de materiales Características Mecánicas Las propiedades mecánicas pueden definirse como aquellas que tienen que ver con el comportamiento de un material bajo fuerzas aplicadas. Las propiedades mecánicas se expresan en términos de cantidades que son funciones del esfuerzo o de la deformación o ambas simultáneamente. Las propiedades mecánicas fundamentales son la resistencia, la rigidez, la elasticidad, la plasticidad y la capacidad energética. La resistencia de un material se mide por el esfuerzo según el cual desarrolla alguna condición limitativa específica. Las principales condiciones limitativas o criterios de falla son la terminación de la acción elástica y la ruptura. La dureza, usualmente indicada por la resistencia a la penetración o la abrasión en la superficie de un material, puede considerarse como un tipo o una medida particular de la resistencia. La rigidez tiene que ver con la magnitud de la deformación que ocurre bajo la carga; dentro del rango del comportamiento elástico, la rigidez se mide por el módulo de elasticidad. La elasticidad se refiere a la capacidad de un material de deformarse no permanentemente al retirar el esfuerzo. El término plasticidad se usa para indicar la capacidad de deformación en el rango elástico o plástico sin que ocurra ruptura; un ejemplo de medición de la plasticidad es la ductilidad de algunos metales, llamados dúctiles. La capacidad de un material para absorber energía elástica depende de la resistencia y la rigidez; por ejemplo, la capacidad energética en el rango de acción elástica se denomina resiliencia; la energía requerida para romper un material se denomina tenacidad. Características mecánicas del cobre Introducción El cobre (Cu) es, después del hierro y el aluminio, de los metales más consumidos en el mundo, fundamentalmente en los sectores de la construcción (tuberías de cobre para agua y gas) que representa el 40% del destino de la producción de cobre y el sector eléctrico (cables) que representa otro 27%. Encuadrado en la parte central del sistema periódico como elemento de transición, en el grupo 11 junto con la plata y el oro, es un metal de color rojizo, inerte y muy resistente a la corrosión, lo que explica que sea uno de los metales que puede tenerse en estado más puro. El cobre es un metal blando, con un índice de dureza 3 en la escala de Mohs (50 en la escala de Vickers), es resistente al desgaste, y posee una muy alta conductividad térmica y eléctrica. De hecho es un excelente conductor de la electricidad (la plata, el cobre y el oro, en este orden son los metales mejores conductores) que unido a su buena ductilidad y maleabilidad lo hacen el metal más empleado para la fabricación de cables eléctricos. Para mejorar sus propiedades mecánicas de resistencia el cobre puro se suele mezclar con otros elementos, formando aleaciones que mejoran sus prestaciones resistentes, aunque sea a costa de perder algo de su buena conductividad original. Por último, una característica que está tomando pujanza en nuestros días es la buena disponibilidad al reciclaje que presenta el cobre una vez finalizado su vida útil. De hecho puede ser reciclado de forma indefinida, lo que permite reducir enormemente la energía necesaria (hasta un 90%) que si la comparamos con la energía que haría falta para transformar para su uso el material extraído directamente de la naturaleza. Propiedades mecánicas Resistencia mecánica En la siguiente tabla se recogen las propiedades mecánicas de resistencia del cobre, según los distintos estados de tratamiento a que sea sometido: Características Mecánicas del Cobre Estado Resistencia a la tracción, kg/mm2 Límite elástico, kg/mm2 Alargamiento en la rotura, % Fundido 15 - 22 - 25 - 15 Recocido 21 - 24 9 46 - 47 Templado 37 - 41 36 5 - 6 Tabla 2. Características Mecánicas del Cobre Como es sabido, el límite elástico, también denominado límite de elasticidad o límite de fluencia, es la tensión máxima a la que puede ser sometida un material sin sufrir deformaciones permanentes, es decir, que al cesar la carga la pieza recupera su dimensión inicial. Pero si a la pieza se le aplican unos niveles de cargas superiores que superan el límite elástico, entonces el material sufre deformaciones permanentes y ya no recupera su forma original cuando cesan estas cargas. Es entonces cuando el material entra en el régimen plástico hasta alcanzar el punto de rotura o resistencia a la tracción. Módulo de elasticidad longitudinal o Módulo de Young El módulo de elasticidad longitudinal o módulo de Young ( E ) relaciona la tensión aplicada a una pieza según una dirección con la deformación originada en esa misma dirección, y siempre considerando un comportamiento elástico en la pieza. Para el material de cobre, el módulo de elasticidad longitudinal, E , tiene el siguiente valor: E= 110.000 MPa (110.000 N/mm2) (1.100.000 kg/cm2) Módulo de elasticidad transversal El módulo de elasticidad transversal, módulo de cortante o también llamado módulo de cizalla ( G ), para la mayoría de los materiales, y en concreto para los materiales isótropos, guarda una relación fija con el módulo de elasticidad longitudinal ( E ) y el coeficiente de Poisson ( ν ), según la siguiente expresión: En la siguiente tabla se indica los valores para el Módulo de elasticidad transversal, G , para distintos materiales, además de para el cobre: Material G (MPa) Acero 81.000 Aluminio 26.300 Bronce 41.000 Cobre 42.500 Fundición Gris (4.5 %C) 41.000 Hierro Colado < 65.000 Hierro Forjado 73.000 Latón 39.200 Tabla 3. Módulos de elasticidad transversal, G Coeficiente de Poisson El coeficiente de Poisson ( ν ) corresponde a la razón entre la elongación longitudinal y la deformación transversal en el ensayo de tracción. Alternativamente el coeficiente de Poisson puede calcularse a partir de los módulos de elasticidad longitudinal y transversal, según la expresión siguiente: Para el material de cobre, toma el siguiente valor: ν= 0,34 Como en el caso anterior, las expresiones arriba indicadas del coeficiente de Poisson, ν, son valores constantes siempre dentro del rango de comportamiento elástico del material. Dureza Brinell Se denomina dureza Brinell a una escala de medición de la dureza de un material mediante el método de indentación, midiendo la penetración de un objeto en el material a estudiar. Fue propuesto por el ingeniero sueco Johan August Brinell en1900, siendo el método de dureza más antiguo. Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y muestras delgadas. El indentador o penetrador usado es una bola de acero templado de diferentes diámetros. Para los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno. En el ensayo típico se suele utilizar una bola de acero de 10 a 12 milímetros de diámetro, con una fuerza de 3.000 kilopondios. El valor medido es el diámetro del casquete en la superficie del material. Las medidas de dureza Brinell son muy sensibles al estado de preparación de la superficie, pero a cambio resulta en un proceso barato, y la desventaja del tamaño de su huella se convierte en una ventaja para la medición de materiales heterogéneos, como la fundición, siendo el método recomendado para hacer mediciones de dureza de las fundiciones. La bola penetra dejando una marca. La carga a utilizar en el ensayo se puede obtener con la siguiente expresión: Donde: : carga a utilizar medida en [kilopondio (kp)]. : Constante para cada material, que puede valer 1 (Madera), 5 (aluminio, cobre y sus aleaciones), 10 (magnesio y sus aleaciones), y 30 (aceros). : Diámetro de la bola (indentador) medida en [mm]. Este ensayo sólo es válido para valores menores de 600 HB en el caso de utilizar la bola de acero, pues para valores superiores la bola se deforma y el ensayo no es válido. Se pasa entonces al ensayo de dureza Vickers. Para saber si el ensayo es válido o no, debemos usar el espesor de la pieza y la profundidad de la huella; mediante la formula siguiente: espesor de la pieza > ó = a 8 veces la profundidad de la huella. De este modo, si el valor resultante es menor al que tiene el espesor de la pieza diremos que el ensayo es válido, en caso contrario, no lo será; y por tanto pasaríamos al ensayo Vickers. En la siguiente tabla se dan los valores típicos de dureza Brinell del cobre y de otros materiales: Material Dureza Brinell Cobre 35 HB Aluminio 15 HB Acero (blando) 120 HB Acero de herramientas 500 HB Acero inoxidable 250 HB Dureza Brinell de los materiales Aleaciones de cobre Generalidades Como ya se apuntó anteriormente, para mejorar las propiedades mecánicas de resistencia, el cobre puro se suele mezclar con otros elementos formando aleaciones que mejoran sus prestaciones resistentes, aunque sea a costa de perder algo de su conductividad original. En la siguiente tabla se indica la influencia que tienen los elementos de aleación empleados en el material resultante: Elemento de Aleación Efecto Hierro - Aumenta la resistencia mecánica Aluminio - Aumenta la resistencia mecánica - Aumenta la resistencia a la corrosión - Aumenta la resistencia al desgaste - Aumenta la dureza - Disminuye la ductilidad Manganeso - Aumenta la resistencia a la tracción - Aumenta la dureza - Inhibe el crecimiento de grano - Aumenta la cantidad de hierro que se puede disolver - Disminuye la ductilidad Cromo - Aumenta las propiedades mecánicas Telurio - Aumenta las propiedades mecánicas Berilio - Aumenta la dureza Fósforo - Aumenta la resistencia a la tracción - Aumenta el límite de fatiga - Disminuye la conductividad Tabla 5. Influencia de los elementos de aleación Características mecánicas del acero Introducción Según la norma UNE EN 10020:2001 define al acero como aquel material en el que el hierro es el elemento predominante, el contenido en carbono es, generalmente inferior al 2% y contiene además a otros elementos. El límite superior del 2% en el contenido de carbono (C) es el límite que separa al acero de la fundición. En general, un aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, pero como contrapartida incrementa su fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad. En función de este porcentaje, los aceros se pueden clasificar de la siguiente manera: - Aceros dulce: Cuando el porcentaje de carbono es del 0,25% máximo. Estos aceros tienen una resistencia última de rotura en el rango de 48-55 kg/mm2 y una dureza Brinell en el entorno de 135-160 HB. Son aceros que presentan una buena soldabilidad aplicando la técnica adecuada. Aplicaciones: Piezas de resistencia media de buena tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado, herrajes, etc. - Aceros semidulce: El porcentaje de carbono está en el entorno del 0,35%. Tiene una resistencia última a la rotura de 55-62 kg/mm2 y una dureza Brinell de 150-170 HB. Estos aceros bajo un tratamiento térmico por templado pueden alcanzar una resistencia mecánica de hasta 80 kg/mm2 y una dureza de 215-245 HB. Aplicaciones: Ejes, elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaces, pernos, tornillos, herrajes. - Aceros semiduro: Si el porcentaje de carbono es del 0,45%. Tienen una resistencia a la rotura de 62-70 kg/mm2 y una dureza de 280 HB. Después de someterlos a un tratamiento de templado su resistencia mecánica puede aumentar hasta alcanzar los 90 kg/mm2. Aplicaciones: Ejes y elementos de máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de motores de explosión, transmisiones, etc. - Aceros duro: El porcentaje de carbono es del 0,55%. Tienen una resistencia mecánica de 70-75 kg/mm2, y una dureza Brinell de 200-220 HB. Bajo un tratamiento de templado estos aceros pueden alcanzar un valor de resistencia de 100 kg/mm2 y una dureza de 275-300 HB. Aplicaciones: Ejes, transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy elevados. Diagrama Tensión-Deformación El diagrama tensión-deformación resulta de la representación gráfica del ensayo de tracción, normalizado en UNE-EN 10002-1, y que consiste en someter a una probeta de acero normalizada a un esfuerzo creciente de tracción según su eje hasta la rotura de la misma. El ensayo de tracción permite el cálculo de diversas propiedades mecánicas del acero. La probeta de acero empleada en el ensayo consiste en una pieza cilíndrica cuyas dimensiones guardan la siguiente relación de proporcionalidad: L0= 5.65 x √S0 Donde L0 es la longitud inicial, S0 es la sección inicial y D0 es el diámetro inicial de la probeta. Para llevar a cabo el ensayo de tracción, las anteriores variables pueden tomar los siguientes valores: D0 = 20 mm, L0 = 100 mm, ó bien, D0 = 10 mm, L0 = 50 mm. El ensayo comienza aplicando gradualmente la fuerza de tracción a la probeta, lo cual provoca que el recorrido inicial en la gráfica discurra por la línea recta que une el origen de coordenadas con el punto A. Hasta llegar al punto A se conserva una proporcionalidad entre la tensión alcanzada y el alargamiento unitario producido en la pieza. Es lo que se conoce como Ley de Hooke, que relaciona linealmente tensiones con las deformaciones a través del modulo de elasticidad E, constante para cada material que en el caso de los aceros y fundiciones vale aproximadamente 2.100.000 Kg/cm2. Otra particularidad de este tramo es que al cesar la solicitación sobre la pieza, ésta recupera su longitud inicial. Es decir, se comporta de manera elástica, y el punto A se denomina Límite de Proporcionalidad. Pasado el punto A y hasta llegar al punto B, los alargamiento producidos incluso crecen de manera más rápida con la tensión, y se cumple que al cesar la carga, la pieza recupera de nuevo su geometría inicial, es decir, se sigue comportando elásticamente. El punto B marca el límite a este comportamiento, y por ello al punto B se le denomina Límite Elástico. Traspasado el punto B el material pasa a comportarse de manera plástica, es decir, que no recupera su longitud inicial, quedando una deformación remanente al cesar la carga. De esta manera, el proceso de descarga se realiza siguiendo la trayectoria según la línea punteada mostrada del diagrama tensión-deformación, que como se ve, corta al eje de deformaciones, ΔL/L0, a una cierta distancia del origen, que se corresponde con la deformación remanente que queda. Concretamente, el punto B o Límite Elástico es aquel que le corresponde una deformación remanente del 0.2%. Si se sigue aplicando carga se llega al punto identificado en la gráfica como C, donde a partir de aquí y hasta el punto D, las deformaciones crecen de manera rápida mientras que la carga fluctúa entre dos valores, llamados límites de fluencia, superior e inferior. Este nuevo estadio, denominado de fluencia, es característico exclusivamente de los aceros dúctiles, no apareciendo en los aceros endurecidos. Más allá del punto de fluencia D es necesario seguir aplicando un aumento de la carga para conseguir un pronunciado aumento del alargamiento. Entramos ya en la zona de las grandes deformaciones plásticas hasta alcanzar el punto F, donde la carga alcanza su valor máximo, lo que dividida por el área inicial de la probeta proporciona la tensión máxima de rotura o resistencia a la tracción. A partir del punto E tiene lugar el fenómeno de estricción de la probeta, consistente en una reducción de la sección en la zona de la rotura, y el responsable del periodo de bajada del diagrama, dado que al reducirse el valor de la sección real, el valor de la carga aplicado a partir del punto E también se va reduciendo hasta alcanzar el punto F de rotura. Límite elástico y Resistencia a la tracción La determinación de las propiedades mecánicas en el acero, como el límite elástico (fy), la resistencia a tracción (fu), así como de otras características mecánicas del acero como el Módulo de Elasticidad (E), o el alargamiento máximo que se produce en la rotura, se efectuará mediante el anteriormente definido ensayo de tracción normalizado en la UNE-EN 10002-1. Se adjunta tabla con los valores de la resistencia a la tracción, así como del límite elástico y dureza, según la norma americana AISI: A continuación, en estas otras tablas se recogen también las especificaciones correspondientes al límite elástico (fy) y resistencia a tracción (fu) para los distintos tipos de acero según se indican en la Instrucción de Acero Estructural (EAE) española. • Aceros no aleados laminados en caliente: Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2) Tipo Espesor nominal de la pieza, t (mm) t ≤ 40 40 < t ≤ 80 Límite elástico, fy Resistencia a tracción, fu Límite elástico, fy Resistencia a tracción, fu S 235 235 360