Capítulo 6
6.1. Explique, con ejemplos reales, el papel de las propiedades mecánicas en aplicaciones sujetas a cargas dinámicas.
Las propiedades mecánicas tienen una gran importancia en aplicaciones sujetas a cargas dinámicas, por ejemplo, en las construcciones construcciones de puentes, vehículos, vehículos, pelotas de béisbol, pelotas de golf, raquetas de tenis, etc., pues los materiales empleados deben poseer capacidad para funcionar bajo cargas de impacto. 6.2. Explique la importancia de las propiedades mecánicas en aplicaciones funcionales (por ejemplo, ópticas, magnéticas, electrónicas, etc.), con ejemplos del mundo real.
Todas las propiedades mecánicas de los materiales empleados en aplicaciones funcionales juegan un papel muy importante. Por ejemplo, podríamos analizar el caso de la fibra óptica (un material óptico), que debe tener cierto grado de resistencia para tolerar los esfuerzos que encuentre durante su aplicación; una aleación de biocompatible de titanio para un implante de hueso debe tener la suficiente resistencia y tenacidad como para sobrevivir sin fallas durante muchos años en el cuerpo humano. 6.3. Explique la importancia de comprender las propiedades mecánicas en el procesamiento de los materiales.
Desde el diseño de los materiales es importante conocer las propiedades que se desean obtener, debido a que a partir de las mismas es que procederemos a aplicar las técnicas para obtenerlos. El posible comportamiento comportamiento de los materiales materiales ante los cambios cambios de temperatura, temperatura, naturaleza naturaleza cíclica de los esfuerzos aplicados, cambios químicos causados por oxidación, etc.; deben ser tomados en cuenta por un ingeniero ingeniero competente competente y profesional. 6.4. Defina “esfuerzo ingenieril” y “deformación ingenieril”. ingenieril”. Esfuerzo ingenieril: es la carga o la fuerza aplicada, dividida entre la sección transversal original del material. Deformación ingenieril: es la cantidad que se deforma un material por unidad de longitud en un ensayo de tensión. 6.5. Defina “módulo de elasticidad”.
También conocido como módulo de Young, o la pendiente de la parte lineal de la curva esfuerzo – deformación en la región elástica. Es una medida de la rigidez de un material; depende de la fuerza de los enlaces interatómicos y de la composición, y no depende mucho de la microestructura.
6.6. Explique los términos “esfuerzo elástico” y “deformación elástica”. Esfuerzo elástico: es la fuerza o carga por unidad de área transversal sobre la que está actuando la carga o la fuerza, que produce una deformación reversible en el material.
Deformación elástica: es la deformación que presenta el material y que desaparece en forma instantánea cuando se elimina la carga aplicada. 6.7. Defina “deformación plástica” y compárela con “deformación elástica”. Deformación plástica es la deformación permanente de un material cuando se aplica una carga y después se elimina. Al compararla con la deformación elástica, vemos que se diferencia en que sus efectos son permanentes (o sea, que no son reversibles). 6.8. ¿Qué es velocidad de deformación? ¿Cómo afecta el comportamiento mecánico de los materiales poliméricos y metálicos?
La velocidad de deformación es la rapidez con que se desarrolla la deformación en, o se aplica a, un material. Puede tener un efecto sobre el comportamiento dúctil o frágil de un material, esto es, dependiendo de qué tan rápido o no se aplique una carga puede que un material se comporte de forma más o menos dúctil o frágil. 6.9. ¿Por qué la masilla se rompe cuando se estira con mucha rapidez?
Por el efecto que la velocidad de deformación. Además, este es un tipo de material viscoelástico. 6.10.
¿Qué es un material visco-elástico? De un ejemplo.
Es un material cuya respuesta es inmediata entre un material viscoso y un material elástico; este nombre se utiliza para los materiales poliméricos, mientras que el término “anelásticos” es frecuentemente utilizado cuando se habla de metales. 6.11.
¿Qué significa el término “relajación de esfuerzo”?
Es la disminución del esfuerzo en un material mantenido bajo deformación unitaria constante, en función del tiempo; se observa en materiales viscoelásticos. La relajación de esfuerzo es distinta de la recuperación, o desaparición, de la deformación en función del tiempo. 6.12.
Defina los términos “viscosidad”, “viscosidad aparente” y “viscosidad cinemática”.
Viscosidad: es la medida de la resistencia al flujo; se define como la relación de esfuerzo cortante entre velocidad de deformación por cortante (con unidades de poise o de Pa-s). Viscosidad aparente: es la viscosidad obtenida dividiendo el esfuerzo cortante entre el valor correspondiente de la rapidez de deformación unitaria cortante, para ese esfuerzo. Viscosidad cinemática: es la relación de viscosidad entre densidad; con frecuencia se expresa en centistokes. 6.13. ¿Cuál es la viscosidad del agua y de los aceites delgados a temperatura ambiente en las unidades de Pa-s y de cP?
* La relación que existe entre las unidades es: 1 Pa-s = 10 P = 1000 cP 6.14.
¿Cuál es la viscosidad cinemática del agua a temperatura ambiente, en centistokes?
* Es necesario determinar este valor. 6.15. ¿Cuáles son las dos ecuaciones que describen el comportamiento seudoplástico de Binghman?
(
)
(
)
* La de la segunda ecuación lleva un punto encima, que indica derivación. 6.16.
¿Qué es un material newtoniano? Dé un ejemplo.
Es un material en que el esfuerzo cortante y la rapidez de deformación por cortante tienen una relación lineal. Por ejemplo, el agua, el aceite delgado. 6.17.
¿Qué es un elastómero? Dé un ejemplo.
Es un plástico natural o sintético formado por moléculas con formas parecidas a resortes, los cuales permiten grandes deformaciones elásticas. Por ejemplo, el hule natural y las siliconas. 6.18.
¿Qué significan los términos “fluido por cortante” y “espeso por cortante”?
El fluido por cortante (termoplástico) es un material cuya viscosidad aparente disminuye al aumentar la velocidad cortante. Y el espeso por cortante (dilatente) es un material cuya viscosidad aumenta al aumentar la velocidad cortante. 6.19. Muchas pinturas y otras dispersiones no sólo son “fluidos por cortante”, sino tam bién tixotrópicos. ¿Qué significa el término tixotropía?
Es un término que se aplica a los materiales que presentan fluidez por cortante y también una viscosidad aparente que disminuye con el tiempo a velocidad constante de corte. 6.21. Trace las curvas cualitativas de esfuerzo ingenieril – deformación ingenieril para un polímero dúctil, un metal dúctil, una cerámica, un vidrio y el hule natural. Identifíquelas con cuidado. Explique su esquema para cada material.
Esfuerzo- deformación: Polímero dúctil.
Curva de esfuerzo ingenieril-deformación ingenieril para un polímero dúctil.
En general, los valores de esfuerzo ingenieril y deformación ingenieril son muy importantes al momento de diseñar cualquier objeto. Si hablamos de un polímero dúctil, en general se asume que está por encima de su temperatura de transformación vítrea (T g); muestra una región inicial elástica, seguida por una región plástica no lineal.
Curva de esfuerzo ingenieril-deformación ingenieril para un metal dúctil.
La curva cualitativa de esfuerzo ingenieril-deformación ingenieril de un metal dúctil nos muestra que su comportamiento (fundamentalmente a temperatura ambiente) es con una región inicial elástica, seguida por una región plástica no lineal.
Esfuerzo- deformación: Metal dúctil.
Curva de esfuerzo ingenieril-deformación ingenieril para una cerámica.
Aunque se pueden hacer ensayos de tensión con materiales cerámicos o vidrios, no son muy frecuentes, porque la muestra se puede fracturar mientras se está alineando.
Esfuerzo- deformación: Material cerámico.
Los cerámicos y vidrios sólo muestran una región elástica lineal y casi no muestran deformación plástica a temperatura ambiente.
Curva de esfuerzo ingenieril-deformación ingenieril para el hule natural.
Esfuerzo- deformación: Hule natural.
La curva cualitativa de esfuerzo ingenieril-deformación ingenieril para el hule natural es la curva de un elastómero (aparte del hule, incluye las siliconas). El comportamiento de estos materiales es distinto al de los materiales polímeros. Una gran parte de la deformación es elástica y no lineal.
6.22. ¿Qué es formación de cuello? ¿Cómo causa la reducción en el esfuerzo ingenieril a medida que el esfuerzo real aumenta?
También llamada estricción, es la deformación local que causa una reducción en el área transversal de un espécimen a la tensión. Muchos materiales dúctiles muestran este comportamiento. Es esfuerzo unitario comienza a disminuir al principio de la formación de cuello. Causa una reducción en el esfuerzo ingenieril debido a que, como se reduce el área transversal, se necesita una menor fuerza para continuar la deformación. 6.23. ¿Por qué algunos polímeros se fortalecen al estirarlos más allá de la región donde se forma el cuello?
Porque poseen propiedades especiales que les permiten “desenrollar” sus cadenas y de esta manera ser más fuertes. 6.32. Defina “esfuerzo real” y “deformación real”. Compárelos con esfuerzo ingenieril y deformación ingenieril. Esfuerzo real: es la carga aplicada dividida por el área actual de la sección transversal a través de la cual opera la carga. Tiene en cuenta el cambio en la sección transversal que ocurre con la carga que cambia.
Puesto que el área real es siempre menor que la inicial (para cargas en tensión), el esfuerzo real es siempre mayor que el ingenieril.
Deformación real: se define como el porcentaje instantáneo de cambio en la longitud de la probeta en un ensayo mecánico. Es igual al logaritmo natural de la relación de la longitud en cualquier instante con la longitud original. , en donde dL es el cambio incremental de longitud y L la longitud real de escala en el momento en que se determina la variación. La deformación ingenieril (o aparente) se determina con un criterio análogo al utilizado para calcular el esfuerzo ingenieril.
La deformación real se define como
Comparación
La diferencia entre la deformación real y la ingenieril puede apreciarse claramente después de una deformación de aproximadamente el diez por ciento. Una deformación real del 70 por ciento es casi equivalente al 100 por ciento de la deformación ingenieril. Ambas son una medida de la deformación, pero la deformación ingenieril es la que se usa en el diseño y la deformación real es la que se usa en la práctica del mundo “real”. El esfuerzo real y el ingenieril tienen en relación, al igual que como dijimos respecto a la deformación, que expresan una medida del esfuerzo que soporta un material (o sea, al que pude ser sometido) y que el esfuerzo ingenieril es el que se usa en el diseño y el esfuerzo real se usa en los ensayos de materiales que ya existen o que se quieren probar después de ser diseñados.
6.38. Defina los términos “Resistencia a la flexión” y “módulo de flexión”. Resistencia a la flexión es el esfuerzo necesario para romper un espécimen en un ensayo de flexión. También se llama módulo de ruptura. Módulo de flexión es el módulo de elasticidad calculado con los resultados del ensayo de flexión, que es igual a la pendiente de la curva esfuerzo – deflexión. 6.39. ¿Por qué se hacen con frecuencia ensayos de flexión con materiales frágiles?
Porque es mucho más factible hacer este tipo de ensayos con estos materiales, debido a que por su estructura y presencia de imperfecciones en toda su superficie, los ensayos de tensión resultarían bastante complicados e imprecisos (los cerámicos, por ejemplo, se pueden romper sólo al tratar de colocarle las mordazas de la máquina de ensayos). 6.45. Las cerámicas son mucho más resistentes a la compresión que a la tensión. Explique por qué.
Esta resistencia se debe a que cuando los cerámicos, como el concreto, son sometidos a cargas de compresión, sus imperfecciones tienden a permanecer cerradas; contrario a lo que sucede cuando les son impuestas cargas de tracción. 6.46. ¿Por qué se puede cargar el peso de un camión de bomberos sobre cuatro tazas cafeteras de cerámica y, sin embargo, cuando se deja caer una de esas tazas al piso posiblemente se rompa con facilidad?
Debido al mismo efecto de las imperfecciones que se mencionaba en la respuesta anterior. Y se rompen con facilidad por la tan limitada tenacidad mecánica que poseen los cerámicos.
6.47. Las dislocaciones tienen un gran efecto sobre la deformación plástica de los metales, pero no desempeñan un gran papel en el comportamiento mecánico de las cerámicas. ¿Por qué?
Porque las propiedades (en este caso de compresión) de los cerámicos no dependen tanto de las dislocaciones que haya en su estructura, sino en la manera en que se distribuyan en toda la superficie del material. 6.48. ¿Qué controla la resistencia de las cerámicas y los vidrios?
Los procesos mediante los cuales se realicen y los dopantes que se utilicen en su fabricación para obtener mejores propiedades de los mismos. 6.49. ¿Qué significa el término “dureza de un material”?
Es la medida cualitativa de la resistencia (de oposición) de un material a ser rayado o penetrado por otro. 6.50. ¿Por qué los datos de dureza son difíciles de correlacionar con las propiedades mecánicas de los materiales en una forma cuantitativa?
Debido a que, aunque existen diversas escalas, siempre se tiende a expresar la dureza como una relación comparativa entre el material y unos parámetros de referencia. 6.51. ¿Cuál es el material más duro (natural o sintético)? ¿Es el diamante?
La sustancia más dura conocida es el diamante, y es natual. 6.52. Explique los términos “macrodureza”, “microdureza”y “nanodureza”. Macrodureza es una medición de dureza en la que se aplica una carga de aproximadamente 2 N. Microdureza es una medición de dureza en la que se aplica una carga menor de 2 N. Nanodureza es una medición de la dureza a nano escala. 6.55. ¿Cómo se mide la nanodureza de los materiales?
Se mide a partir de la aplicación de cargas de 100 µN, lo que implica una indentación a nano escala sobre el material que se ensaya. 6.59. Con frecuencia se recomiendan metales FCC para usarlos a bajas temperaturas, en especial cuando se espera alguna carga repentina sobre la parte. Explique por qué.
Debido a que la mayoría de los metales FCC no poseen una temperatura de transición. 6.60. ¿Qué significa el término sensibilidad a muesca?
Es una medición del efecto de una muesca, ralladura u otra imperfección sobre las propiedades del material, como tenacidad o vida de fatiga. 6.62. ¿Cuál es la diferencia entre un ensayo de tensión y un ensayo de impacto? A partir de esta explicación, describa por qué los valores de tenacidad obtenidos en ensayos de impacto no pueden correlacionarse con las tenacidades a la tensión, obtenidas en ensayos de tensión.
En el ensayo de tensión se busca medir la respuesta de un material a una fuerza uniaxial aplicada lentamente. Se obtienen la resistencia de cedencia, resistencia a la tensión, módulo de elasticidad y ductilidad. Un ensayo de impacto es el que mide la capacidad de un material para absorber, sin romperse, la aplicación repentina de carga. Los valores de tenacidad que se obtienen en cada uno de los ensayos son distintos, primero, por las diferentes formas en que se obtienen los datos, y segundo, porque la manera en que se aplican los esfuerzos varía notablemente. 6.64. ¿Qué es la temperatura de transición de dúctil a frágil?
Es la temperatura debajo de la cual un material se comporta de forma frágil en un ensayo de impacto. El cambio de dúctil a frágil también depende de la velocidad de deformación. 6.66. ¿Qué causó el accidente del Challenger en 1986?
La menor temperatura de transición en los polímeros que se usaron en los sellos “O” del cohete de impulsión. 6.67. ¿Cómo se define la tenacidad a la tensión en relación con el diagrama esfuerzo real – deformación real? ¿Cómo se relaciona la tenacidad a la tensión con la tenacidad al impacto?
La tenacidad a la tensión es el área bajo la curva de ensayo esfuerzo real – deformación unitaria real; es una medida de la energía necesaria para causar la fractura bajo las condiciones del ensayo de tensión. La tenacidad al impacto es la energía absorbida por un material, por lo general con una muesca, durante la fractura y bajo las condiciones del ensayo de impacto. 6.74. Explique los términos fracturas intergranulares e intragranulares. Con un esquema indique los granos, los límites de grano y la trayectoria de las grietas, característicos de la fractura intergranular e intragranular en los materiales.
Una fractura es intergranular cuando posee una trayectoria a lo largo de los límites de grano; la fractura toma esta trayectoria en especial cuando la segregación (separación preferencial de distintos elementos) o inclusiones debilitan los límites de grano. Este tipo de fractura es típica en los materiales frágiles. Si se da el caso de que la fractura se intragranular o transgranular, se nos quiere decir que sucede a través de los granos. Es común en los materiales dúctiles, como los metales. 6.75. ¿Cuáles son las propiedades microestructurales características que se asocian con una fractura dúctil?
En un ensayo de tensión simple, la fractura dúctil comienza con la nucleación, el crecimiento y la coalescencia de microhuecos en el centro de la barra de ensayo. Si se obseva la pieza en un microscopio de alta definición, se observa una superficie con hoyuelos, que son huellas de los microhuecos producidos durante la fractura. Los hoyuelos tienden a ser alargados, y no equiaxiales. 6.76. ¿Cuáles son las propiedades microestructurales características que se asocian con una fractura frágil en un material metálico?
Se observan generalmente cuando el impacto (y no la carga) quien causa la fractura. De entrada, si hablamos de una fractura en un metal, nos referimos a un metal cristalino. Generalmente, queda una superficie lisa, que presenta un patrón de marcas o lomos superficiales que irradian alejándose de la grieta, lo que se llama patrón de Chevrón. 6.77. ¿Qué materiales muestran en forma normal una fractura concoidal?
Los vidrios. La superficie concoidal contiene una zona especular muy lida cerca del origen de la fractura, y hay líneas de rasgado en el resto de la superficie. 6.78. Describa en forma breve cómo pueden fallar los materiales compuestos reforzados con fibras.
La manera más común de que sucedan este tipo de fallos es si la adhesión netre las fibras y la matriz es mala. En ese caso, se pueden formar huecos entre la fibra y la matriz, causando disgregación. Además, pueden fallar si las capas individuales de la matriz están mal pegadas, la matriz de puede deslaminar, formando huecos, 6.79. Se sabe que algunos componentes de aviación fabricados con materiales compuestos reforzados con fibra de carbono fallan en forma repentina por delaminación. Es difícil ver el daño en esas clases de materiales, porque está en su interior. Describa la fractura en esos materiales.
La delaminación indica que comienzan a separarse las capas de los distintos materiales. Por lo general, las fibras de estos materiales se rompen en forma frágil, hasta que hay muy pocas de ellas que soportan la carga final y se produce la fractura mostrando “capas”. 6.80. El concreto tiene una resistencia excepcional a la compresión, pero falla con bastante facilidad a la tensión. Explique por qué.
Por las propiedades intrínsecas que poseen los cerámicos, de las cuales se habló en preguntas anteriores. 6.81. ¿Qué controla la resistencia de los vidrios? ¿Qué se puede hacer para aumentar la resistencia de los vidrios de silicato?
La resistencia de los vidrios es controlada por las propiedades microestructurales de los silicatos que generalmente los conforman. Para aumentar la resistencia de los mismos es posible utilizar técnicas de dopado, tales como la creación de vitrocerámicas, para que los vidrios sean más resistentes. Además, el templado y laminado son posibles opciones. Les recomiendo la lectura de la sección 6.14 para responder las preguntas 6.82-6.86, porque esas son vainas como de probabilidad y estadísticas de fallas…
6.100. Defina el término “termofluencia” y describa la diferencia entre termofluencia y relajación de esfuerzo. Termofluencia es la deformación dependiente del tiempo y permanente, a alta temperatura, que se presenta con carga constante o con esfuerzo constante.
Relajación de esfuerzo es la disminución de esfuerzo en un material mantenido bajo deformación unitaria constante, en función del tiempo; se observa en materiales viscoelásticos. La relajación de esfuerzo es distinta de la recuperación (o desaparición) de la deformación en función del tiempo. 6.101. ¿Qué significan los términos “esfuerzo de ruptura” y “corrosión bajo esfuerzos”? Esfuerzo de ruptura es el esfuerzo en que el material primero fluye y después se rompe. Corrosión bajo esfuerzos (o tensocorrosión) es un fenómeno en el cual los materiales reaccionan con sustancias corrosivas del ambiente, lo que conduce a la formación de grietas y a la disminución de la resistencia. 6.102. ¿Cuál es la diferencia entre la falla de un material por termofluencia y por esfuerzo de ruptura? Termofluencia es la deformación dependiente del tiempo y permanente, a alta temperatura, que se presenta con carga constante o con esfuerzo constante. Si se produce una falla por esfuerzo de ruptura, lo que se nos quiere decir es que simplemente se sobrepasó la capacidad que resistía el material, sin considerar otros factores; el material fluye y luego se rompe.
