Mecanizado

Estructura de los materiales, propiedades y ensayos de medida.

Mecanizado

•Elasticidad: Capacidad de los materiales de recuperar la forma primitiva cuando cesa la carga que los deforma.•Plasticidad: Capacidad que tienen los materiales de adquirir deformaciones permanentes, sin llegar a la rotura. Cuando esta deformación se presenta en forma de láminas, se denomina maleabilidad, y si se presenta en forma de filamentos, ductilidad.•Cohesión: Es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse.•Dureza: Es la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados.•Tenacidad: Es la capacidad de resistencia a la rotura por la acción de fuerzas exteriores.•Fragilidad: Es la propiedad opuesta a la tenacidad.•Resistencia a la fatiga: Es la resistencia que ofrece un material a los esfuerzos repetitivos.•Resiliencia: Es la energía absorbida en una rotura por impacto.

Definen el comportamiento de los materiales en su utilización industrial, las más importante son:

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES

•Ensayos físicos y físico químicos•Ensayos mecánicos

•Ensayos químicos •Ensayos metalográficos

Atendiendo a los métodos empleados en la determinación de las propiedades:

•Ensayos destructivos•Ensayos no destructivos

Atendiendo a la forma de realizar los ensayos.

•Ensayos técnicos de control. •Ensayos científicos.

Atendiendo a la rigurosidad de su ejecución:

CLASIFICACIÓN Y TIPOS DE ENSAYOS

DEFORMACIONES ELÁSTICAS Y PLÁSTICAS

Diagrama de Esfuerzo Vs Deformación

La deformación será

La unidad de tensión en el Sistema internacional es: 1N/m2 = 1 Pascal

Consideramos una varilla cilíndrica de longitud l0 y una sección A0 sometida a una tensión uniaxial F de tracción. Definimos tensión σ:

DEFORMACIONES ELÁSTICAS Y PLÁSTICAS

Diagrama de Esfuerzo Vs Deformación

Las probetas están reguladas por las normas:

•UNE 7282, preparación •UNE 7262-73, tolerancias en su mecanizado •UNE 7010, recomienda:S=150mm2 D=13,8mm l0 =100mm

ENSAYO DE TRACCIÓN (UNE 7-474)

Más práctica es una curva que relacione las tensiones de una sección trasversal con las deformaciones relativas a la longitud inicial, llamadas alargamientos unitarios.

Representamos en ordenadas las fuerzas de tracción aplicadas (F) y en abscisas Los alargamientos producidos (Δl). Se observa: -Una primera zona de deformaciones proporcionales a las tensiones. -Una segunda zona donde pequeñas variaciones de tensiones generan grandes deformaciones.

Análisis de un diagrama de tracción.

Dentro de la zona plástica se distinguen otras dos zonas: •Zona límite de rotura (ER):Es la zona plástica donde las deformaciones son permanentes. En ella pequeñas variaciones de tensión producen grandes alargamientos. El límite es el punto R, llamado límite de rotura, y la tensión aplicada en dicho punto es la tensión de rotura. •Zona de rotura (RS): Superado el punto R, el material sigue alargándose hasta que se produce la rotura física en el punto S.

Dentro de la zona elástica se distinguen otras dos zonas:•Zona de proporcionalidad (OP): En ella existe una proporcionalidad entre las tensiones aplicadas y los alargamientos producidos. En ésta zona deben trabajar los materiales.•Zona no proporcional (PE): En ella el material se comporta de forma elástica, pero las tensiones y deformaciones no están relacionadas linealmente. No es una zona aconsejable de trabajo para los materiales.

Eje de abscisas: ε = Δl / l0 (Alargamiento unitario)Eje de ordenadas: σ = F / S0 (Tensión en una sección trasversal cuando se aplica una fuerza F)Podemos distinguir dos zonas fundamentales:•Zona elástica (OE): Se caracteriza porque al cesar las tensiones aplicadas, los materiales recuperan su longitud inicial.•Zona plástica (ES): En ella el material ha sufrido deformaciones permanentes.

Diagrama de tracción del acero

Este comportamiento se puede generalizar en los materiales a pesar de que existen algunas excepciones entre las que se encuentra el acero, que presenta una peculiaridad consistente en la existencia de una zona localizada por encima del límite elástico donde se produce un alargamiento muy rápido sin que varíe la tensión aplicada, fenómeno conocido como fluencia. En el punto F encontramos el límite de fluencia y la tensión de fluencia.

El primer bloque de ejercicios prácticos, correspondientes a la parte de ensayos mecánicos, va a centrar su análisis en el primer gran grupo de este tipo de ensayos a considerar, caracterizados por la rotura de la muestra del material ensayado, los ensayos denominados como destructivos. De este modo, se irán planteando ejercicios prácticos relativos a ensayos de tracción, de dificultad gra- dualmente mayor, con el fin de afianzar los conocimientos necesarios para la resolución de los mismos.Cálculo de tensión1. Calcular la tensión que soporta una barra de sección circular de acero al carbono F1120, de diámetro 2,6 cm, cuando es sometida a una carga de tracción de 3100 kg.Nota: El valor de la tensión solicitada deberá ser expresado en MPa.Determinación del módulo de elasticidad.2. Dada una probeta de material a ensayar, cuyo diámetro es de 1,30 centímetros y longitud 55 centímetros, calcular el valor del módulo de elasticidad del mismo, sabiendo que su masa es de 2400 kilogramos, sien- do su alargamiento de 1,2 milímetros cuyo es sometido a un ensayo de tracción.Variante del cálculo del módulo de elasticidad.3. Se dispone de una barra cilíndrica de latón de once milímetros de diámetro, siendo su longitud inicial de cincuenta y dos milímetros antes de ser sometida al ensayo de tracción.Durante el desarrollo del mismo, la barra considerada recibe una carga de 23 KN, experimentando su lon- gitud un aumento de 0,138 milímetros.Se pide determinar el módulo de Young de la barra ensayada.

EJERCICIOS.

Determinación del diámetro.4. En este caso, la barra cilíndrica utilizada para realizar el ensayo de tracción resulta ser de acero.De este modo, cuando se ejecuta dicho ensayo, se aplica una carga de 8500 Kp sobre la barra de acero, obteniendo un valor para el límite elástico de 4890 Kp/cm2.Se pide calcular el diámetro inicial de la barra de acero ensayada, conociendo la longitud de la misma, 410 milímetros, así como su módulo de elasticidad, cuyo valor es de 1,95 106 Kp/cm2.Nota: Se requiere un incremento de la longitud del material ensayado no superior a los 0,47 milímetros.Cálculo de la longitud inicial..5. Se considera una muestra de una aleación cuyo principal componente es el níquel como objeto de análisis en el desarrollo de un ensayo de tracción.De acuerdo a ello, la muestra del material a ensayar presenta una forma cilíndrica, con diez milímetros de diámetro, tiene un valor de 200 GPa para su módulo de elasticidad.Se solicita determinar la longitud de la muestra de la aleación considerada antes de que sufra la deformación, consecuencia de ser sometida al ensayo de tracción, sabiendo que el máximo incremento que puede sufrir es de 0,2 milímetros.Nota: Se conoce el valor máximo de la fuerza que soporta el material ensayado, sin que sufra deformación plástica, en concreto, 8820 N.

EJERCICIOS.

Aplicable a la zona de proporcionalidad (OP) •En el diagrama (F – Δl) tenemos: F / Δl = constante, lo que implica que tg =α1= constante •Si se aplica al diagrama (σ – ε) se obtiene: σ / ε = constante = E (módulo elástico o de Young), es un parámetro característico de cada material. Sustituyendoen E=σ/ε σ=F/S0 y ε=Δl/l0 tenemos:

Aplicación de la Ley de Hooke al ensayo de tracción

Las deformaciones producidas en un elemento resistente son proporcionales a las tensiones que las producen. Tensión / Deformación = tg α = constante

LEY DE HOOKE

Aplicable solo en la zona de proporcionalidad.

La ecuación fundamental de la tracción,

Determinación de la ductilidad6. Determinar el valor de la ductilidad que presente una probeta cilíndrica que es deformada en frío, de manera que el diámetro resultante de la misma resulta ser de once centímetros, partiendo de un valor inicial de dieciséis.Nota: El valor de la ductilidad será expresado en forma de porcentaje de estricción.Cálculo de la estricción.7. Se pretende ejecutar un ensayo de tracción sobre un determinado material metálico, cuya longitud inicial es de trescientos milímetros.Para ello, se somete la muestra del material considerado a un esfuerzo de 12000 Newton.Tras la realización del ensayo, se determina que el valor del módulo de elasticidad del material ensayado resulta ser 2·105 MPa.A partir de la información proporciona se pide:a) Determinación del diámetro, expresado en milímetros, de la muestra del material ensayado, con la condición de que el alargamiento sufrido como resultado de la ejecución del ensayo no debe superar los 0,4 milímetros.b) Cálculodeladeformación,asícomolaestricciónsufridaporlamuestraanalizadaanteriormente,en el caso de que se vuelva a ejecutar el ensayo de tracción hasta que se produce su rotura, expresados en tanto por cien. Para ello, se facilita el dato correspondiente al alargamiento sufrido, quince milímetros, junto con el valor del diámetro medido en la sección de la muestra donde se produce la rotura, seis milímetros.Nota: El valor del limite elástico del material ensayo asciende a 300 MPa.

EJERCICIOS.

Representación diagrama tensión - deformación.8. Como ampliación del ejercicio práctico anterior, se propone el presente ejercicio, en el que se lleva a cabo un ensayo de tracción sobre una muestra de un material de diámetro 13,8 milímetros, siendo la longitud del mismo de cien milímetros.Tras la ejecución del ensayo, se alcanzan los siguientes datos, recogidos en la siguiente tabla:A partir de ellos, se solicitan lo siguiente:a) Realizar la representación gráfica del diagrama que relaciona las cargas a las que ha sido sometido el material considerado, respecto a las alargamientos sufridos como resultado de las mismas.b) Cálculodelmódulodeelasticidaddelmaterialensayado.

EJERCICIOS.

A partir de ella, se pide la determinación de los siguientes apartados: a) Cálculo del módulo de elasticidad asociado al diagrama tensión-deformación planteada. b) Cálculo del límite elástico del material considerado.c) Determinación de la carga máxima que es capaz de soportar una probeta del material ensayado, cuyo diámetro es de trece milímetros.

Diagrama tensión-deformación.9. En el presente ejercicio, se proporciona como dato el diagrama tensión-deformación de un determinado material, tal y como aparece a continuación:

EJERCICIOS.

Atendiendo a ellos, se pide:a) Realizar la representación gráfica del diagrama que relaciona las tensiones a las que ha sido sometida el material considerado, respecto a las deformaciones sufridas como resultado de las mismas.b) Cálculo del valor del límite elástico del material ensayado.c) Determinación del valor del módulo de elasticidad.d) Cálculo de la resistencia a la tracción.

Cálculo de la resistencia a la tracción.10. Como variante del ejercicio práctico anterior, se plantea el presente ejercicio, en el que nuevamente se ejecuta un ensayo de tracción sobre una muestra de un material, cuyo diámetro es de 12,8 milímetros.Por su parte, se conoce la longitud de partida del material ensayado, de manera que su valor es de 12,5 milímetros. Una vez realizado el ensayo, de máquina universal empleada al efecto proporciona los siguientes valores de carga, así como alargamiento sufridos por la muestra del material ensayado: