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PROPIEDADES MECÁNICAS
En la actualidad, no existe material o elemento que forme parte de una estructura, máquina o
proceso en sí que no sea diseñado y puesto a prueba mediante ensayos de laboratorio. Los ensayos
de materiales tienen distintas finalidades: una puede ser la determinación de las características de un
material específico o elemento que forma parte de un producto final, otra puede ser la verificación
de las características del mismo, basándose en reglamentaciones o normas locales o internacionales,
las cuales adquieren un valor preponderante en un mundo en donde la trazabilidad y el
aseguramiento de la calidad en procesos y productos son factores prioritarios en las economías
actuales.
En lo referente a ensayos de materiales, existe una clasificación de los mismos según sea el estado
resultante del material o elemento ensayado, una vez finalizado el mismo. Vale decir, existen
ensayos destructivos y no destructivos. Un ensayo será destructivo cuando para obtener las
características buscadas en el mismo, será necesario modificar su forma física en forma permanente
o “romper” dicho material; en caso de que no sea necesario “romper” el material para determinar
alguna característica, el ensayo será de tipo no destructivo. Como ejemplos de ensayos destructivos
tenemos: el de tracción, flexión, compresión, impacto, dureza, fatiga, etc.; en el caso de los no
destructivos tenemos: tintas penetrantes, radiografía industrial, ultrasonido, gammagrafía, partículas
magnetizables, etc.
Las propiedades mecánicas, describen el comportamiento de los materiales que se encuentran
sometidos a la acción de esfuerzos mecánicos. En ingeniería se utilizan distintos tipos de materiales,
como ser metales, cerámicas, polímeros o materiales compuestos; nosotros focalizaremos nuestro
análisis en las propiedades mecánicas de los metales.
ESFUERZO
Los elementos constituyentes de un cuerpo (solido), mientras no se altere su equilibrio interno,
permanecerán en dicho estado hasta tanto se rompan las fuerzas de cohesión que mantienen este
equilibrio.
Al actuar fuerzas exteriores, el equilibrio interno se rompe, produciéndose una modificación en las
fuerzas de atracción y repulsión, aumentando una con respecto a la otra, según la carga aplicada
tienda a alejar o acercar a los átomos, generándose una fuerza interna que tenderá a restaurar la
cohesión, cuando ello no ocurre, el material se rompe.
Como consecuencia, esa diferencia en el equilibrio de las fuerzas interatómicas es la fuerza interior
o esfuerzo del material que tiende a oponerse al efecto aplicado.
Vamos a analizar los distintos esfuerzos a que están sometidos los cuerpos, mediante la realización
de cortes hipotéticos sobre el mismo y ver qué tipo de esfuerzos son necesarios para mantener el
equilibrio en el mismo.
Si sobre el cuerpo sin cortes actúa una fuerza externa y hasta tanto no se sobrepase cierto valor,
vemos que se mantiene el equilibrio del mismo, es decir se mantiene el equilibrio debido a las
fuerzas interiores. En este caso la condición de equilibrio queda definida por:
Fuerza exterior o carga = Fuerza interior o esfuerzo
Si suponemos que las cargas son normales a la sección y están uniformemente repartidas, el
esfuerzo total sobre una sección podrá ser considerado igual a la resultante de las fuerzas interiores
que actúan sobre la misma. Si esta sección es transversal, el esfuerzo será normal, fig. a, en cambio,
si presenta una determinada inclinación, fig. b, el efecto del esfuerzo resultante se manifiesta sobre
la sección mediante sus componentes normales (P N
) y tangenciales (P T
), siendo entonces posible
hablar de esfuerzos normales y tangenciales.
El esfuerzo normal tiende a alcanzar un valor crítico para el cual se produce la descohesión de la
estructura o fractura del material (fractura por arrancamiento), en cambio el tangencial tenderá a
generar deformaciones e inclusive roturas por deslizamientos, según la naturaleza cristalográfica de
los metales y tipos de esfuerzos aplicados (en el capítulo de Fractografía se ampliarán dichos
conceptos).
CLASIFICACIÓN DE LOS ESFUERZOS
Según sea el efecto que produce en las secciones transversales sobre las que actúan, los esfuerzos se
pueden clasificar en: tracción, compresión, flexión, torsión y corte.
TENSIÓN
Los valores de los esfuerzos en kilogramos fuerza o Newton que pueden soportar hasta la rotura o
hasta cierto límite indicado según normas los materiales, no dan una medida de la resistencia o
capacidad para soportar las cargas que poseen, por ser función de sus dimensiones. Por lo tanto, es
necesario que dicho esfuerzo sea valorado según la superficie sobre la cual actúa, más precisamente,
a la unidad de sección, obteniéndose el esfuerzo unitario o tensión, que puede definirse como la
resistencia interna de la unidad de área a una carga o fuerza exterior.
La tensión puede ser también normal (σ) o tangencial () o tangencial (
τ ) según el esfuerzo que la origine:
Tensi ó n normal =
Esfuerzo normal
Secci ó n
= σ =
P
N
S
[
Kg
mm
2
][
Kg
cm
2
]
[ MPa ]
Tensi ó n tangencial =
Esfuerzo tangencial
Secci ó n
= τ =
P
T
S
[
Kg
mm
2
][
Kg
cm
2
]
[ MPa ]
Ahora bien, cuando no es posible describir el efecto producido por la aplicación de un determinado
valor de carga, pues depende de otras variables como ser la luz de apoyos o el brazo de palanca, en
el caso de flexión y torsión, la reacción del material se manifiesta por un momento interior generado
por los esfuerzos que actúan en las secciones transversales.
Tensi ó n de flexi ó n = σ =
Momento flector
Moduloresistente normal
M
f
W
x
[
Kg
mm
2
][
Kg
cm
2
]
[ MPa ]
Tensi ó n de torsi ó n =
Momento torsor
M ó dulo resistente polar
= τ =
M
t
W
p
[
Kg
mm
2
][
Kg
cm
2
]
[ MPa ]
El conocimiento de la resistencia de un metal conjuntamente con su aptitud para deformarse,
constituyen las propiedades mecánicas que generalmente definen sus usos prácticos cuando son
sometidos a cargas estáticas. Estas determinaciones se realizan bajo esfuerzos de tracción, y a partir
de las resistencias se fijan las denominadas tensiones admisibles o de proyecto mediante la
aplicación de coeficientes de seguridad, para obtener los valores que corresponden al período
elástico del material, en el que las deformaciones no solo resultan sumamente pequeñas, sino que
además se recuperan al cesar las cargas que las producen.
DEFORMACIÓN
Inmediatamente a que se le aplique una carga a un cuerpo, aparecen en éste deformaciones, las
cuales pueden resultar elásticas o plásticas dependiendo de si el material recupera o no su longitud
inicial una vez cesada la carga aplicada.
La capacidad que posee un material de deformarse elásticamente se denomina elasticidad y la
finalización del período elástico, permite determinar la carga al período elástico. El límite elástico
se alcanza para muy pequeñas deformaciones, por lo que su determinación se realiza mediante el
uso de elementos especiales llamados extensómetros. En la práctica se ha observado en los metales
que hasta este límite elástico, se cumple que las cargas aplicadas son proporcionales a las
deformaciones que las producen, verificándose lo establecido por la ley de Hooke.
Para el caso de las deformaciones, el valor de la misma hasta el límite elástico no representa un
valor de importancia, como sí lo es el valor de la tensión al límite elástico; en lo que respecta a
deformaciones, el valor a determinar es la deformación a rotura, la cual puede expresarse en
unidades de longitud o en valores porcentuales (deformación específica).
DEFORMACIÓN Y FRACTURA
Todos los metales sufren cambios como respuesta a las fuerzas exteriores que actúan sobre él. Este
fenómeno se llama deformación. Si el material regresa a su forma y tamaño original cuando se
retira la carga actuante, se dice que la deformación es elástica, en caso contrario, se dice que la
deformación es plástica.
La fractura de un metal se presenta cuando el mismo se separa en dos o más fragmentos. Si bien es
obvio que la fractura implica la falla del material, a veces en ingeniería no es necesario llegar a la
rotura para que el material sea considerado como que falló; por ejemplo, en muchos casos la
deformación plástica se considera como una falla del material sin la necesidad de romperse (esto es
para materiales con apreciable ductilidad).
Deformación elástica
En la figura siguiente se tiene un metal sometido a un esfuerzo de tracción, originado por una carga
uniaxial F, el cual tiene una longitud inicial
l
0
, una sección inicial
A
0
y una longitud final l.
En el momento en que deja de actuar la carga indicada se tiene:
σ =
F
A
0
ε =
∆ l
l
0
l − l
0
l
0
Para pequeñas deformaciones, el esfuerzo y la deformación tienen una relación lineal dada por la
ley de Hooke, que establece que las deformaciones son proporcionales a las tensiones que las
producen:
σ = E x ε
componentes de motor. Sin embargo, hay que recordar que en general las cerámicas tienen poca
ductilidad y son susceptibles a la fractura frágil.
A nivel atómico, los átomos que forman la celda unidad de la estructura del metal (las cuales se
multiplican sobre sí mismas siguiendo un patrón tridimensional para constituir los cristales o granos
del metal), cuando están sometidos a deformaciones elásticas, aumentan sus distancias
interatómicas con los átomos vecinos que los rodean, pero no se rompe el enlace, es decir, que una
vez que cesa el esfuerzo aplicado, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales sin presentar
cambios en la estructura.
Deformación plástica
En el caso de la deformación plástica, la misma se produce por deslizamiento de los planos
cristalográficos más densos, por efecto de las tensiones tangenciales actuantes sobre el monocristal.
La combinación de los planos de deslizamiento y direcciones de deslizamiento del monocristal,
constituyen los que se denominan sistemas de deslizamiento. Cabe destacar también que los planos
mas compactos son también los más separados y consecuentemente los que presentan una mínima
energía que las hace más sensibles al deslizamiento que originan las tensiones tangenciales críticas.
“La deformación por deslizamiento del monocristal se produce a lo largo de los planos mas
compactos en la dirección de mayor densidad atómica”.
a) b)
fig. a) dirección cristalográfica de mayor densidad
fig b) dirección cristalográfica de menor densidad
Como las celdas unitarias presentan distintas configuraciones atómicas según el metal de que se
trate, también resultarán distintos en posición y compactación los sistemas de deslizamiento.
Aparte de la deformación por deslizamiento, también se produce deformación plástica por maclaje,
que es cuando una parte del cristal se deforma según una diferente orientación, manteniendo su
simetría con el resto del cristal sin deformar; al plano donde tiene lugar esta deformación se lo
denomina plano de maclaje.
Deformación plástica de una red cubica:
a) Por deslizamiento
b) Por maclaje
Tracción – Compresión
Si a una barra se sección transversal constante le aplicamos una carga de tracción o compresión, de
manera que tienda a estirarla o comprimirla a medida que aumenta la carga, se producirá una
deformación
∆ l que va a depender de la naturaleza del material, su temperatura, dimensiones,
estructura, etc., pero que al momento de saber cuánto se deformó la misma hasta la rotura, se lo
realiza de la siguiente manera:
alargamiento o acortamiento = ∆ l = l − l
0
[ mm ]
l = longitud final
l
0
= longitud inicial
Expresado en términos de porcentaje queda:
deformaci ó n especí fica o unitaria ε =
∆ l
l
0
l − l
0
l
0
[ % ]
Flexión
En el capítulo correspondiente a ensayos de flexión se profundizará sobre las características el
mismo, pero a los efectos de calcular la deformación en flexión, hay que destacar que lo importante
a tener en cuenta en este ensayo, es la flecha máxima, o sea, aquella que se produce en su zona
central cuando el material está sometido a flexión pura o compuesta, y esto va a depender del modo
de aplicación de la carga:
ENDURECIMIENTO
Una de las características propias de los metales es que pueden sufrir un aumento de su resistencia
mediante lo que se conoce como endurecimiento. En forma general, lo que se produce es una
restricción al movimiento de las dislocaciones mediante la deformación en frío, agregando defectos
puntuales (endurecimiento por solución solida), defectos superficiales o planares (refinamiento del
tamaño de grano) o defectos de volumen (endurecimiento por precipitación).
Estos mecanismos de endurecimiento influyen sobre la mayor parte de las propiedades mecánicas
de los metales, incluyendo la resistencia a la tracción, ductilidad y tenacidad. En el caso de los
aceros sometidos a esfuerzos de tracción, se observa a partir del período elástico, una zona de
fluencia en la que el carbono (que son los átomos de soluto intersticiales en el solvente que sería el
hierro) resulta un obstáculo para el movimiento de las dislocaciones. A su vez la deformación
producida en el período de escurrimiento aumenta el número de dislocaciones y la tensión
alcanzada al límite final de fluencia, es capaz de arrancarlos fuera de la atmosfera de los átomos de
soluto, apilándose entre sí, generando interacciones que obligan a incrementar las cargas para
continuar con el proceso de deformaciones plásticas uniformes hasta la estricción.
Cuando el acero no presenta fluencia, el endurecimiento se manifiesta a partir del período
proporcional o elástico.
El endurecimiento por deformación o trabajo en frío, resulta un proceso industrial de gran
importancia técnica en aquellas aleaciones que no aceptan tratamientos térmicos, al permitir
reemplazar a metales con determinadas propiedades de resistencia, por otros de menor calidad, pero
mejorados por deformación. El aumento de la resistencia es debido a la distorsión y fragmentación
de la red cristalina, al almacenamiento de energía y a procesos de difusión de algunos elementos de
aleación hacia las imperfecciones de la red, durante el tiempo de reposo, es decir, una vez que cesó
la deformación.
CARGAS
Las cargas se clasifican en base a la velocidad de aplicación de las mismas y pueden ser estáticas o
dinámicas.
Las cargas estáticas son aquellas que actúan en forma constante y estable, es decir, se aplican muy
lenta y progresivamente; en cambio las cargas dinámicas, son las que se producen por fuerzas en
movimiento, y que pueden manifestarse en forma instantánea o de impacto o producir esfuerzos
variables entre dos limites (cargas cíclicas), que se repiten sistemáticamente un número muy grande
de veces (miles de ciclos).
Además, de acuerdo al modo en que se encuentran aplicadas, las cargas pueden ser concentradas o
distribuidas. Serán concentradas, cuando la superficie de contacto de la fuerza con el cuerpo es
teóricamente un punto; en cambio serás distribuías cuando actúan sobre toda la sección o una gran
parte de la misma.
TENSIONES ADMISIBLES
Todos los materiales de uso en ingeniería exigen que no se sobrepasen ciertos límites que implican
la aparición de deformaciones plásticas o permanentes bajo la acción de las tensiones a que se
encuentran sometidos. Por lo tanto, deben estar sometidos a esfuerzos producidos por cargas que
deben estar considerablemente alejadas de la rotura, es más, deben ser tales que produzcan
esfuerzos dentro del periodo elástico del mismo. Por lo tanto la carga actuante sobre un material
será tal, que produzca un esfuerzo inferior al límite elástico del mismo. Esto se logra determinando,
mediante ensayos de laboratorio, en el diseño del material o pieza, el límite de fluencia o límite
convencional 0.2 y a partir del mismo determinar la carga que lo produce. Una vez que se tiene la
carga que lo produce, se le aplica el correspondiente coeficiente de seguridad, dado según el grado
de incidencia que dicho material o elemento tenga en un proceso, y de esta manera jamás se
alcanzará dicho valor si se mantienen las condiciones de diseño.
σ
adm
L í mite elasticidad
Coef. de seguridad
L í mite elasticidad = σ
P
S
0
DUREZA
Otra de las propiedades mecánicas de los materiales es la dureza, que se la define como la
resistencia que opone un cuerpo a ser rayado o penetrado por otro.
Existen varios métodos para determinar dureza, distinguiéndose según la forma de realizar la
determinación en: Brinell, Rockwell, Vickers, Knoop, Shanka. En el capítulo correspondiente a
dureza se ampliará sobre cada método.
RESILIENCIA
Es la capacidad de absorber energía que posee un material hasta su límite elástico. Se la determina
mediante un ensayo de tracción (Kgm o Joule).
DUCTILIDAD
Es la capacidad de absorber energía que posee un material hasta su carga máxima. Se la determina
mediante un ensayo de tracción (Kgm o Joule).
MALEABILIDAD
Es la capacidad que posee un material de soportar grandes deformaciones permanentes sin presentar
signos de rotura.
COLABILIDAD
Es la capacidad que posee un metal fundido para llenar todos los acuerdos y bordes en moldes para
producir piezas fundidas completas.
