Ensayos mecánicos
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Pruebas mecánicas
Las propiedades mecánicas, entre todas las propiedades de los materiales plásticos, suelen ser las propiedades más importantes porque prácticamente todas las condiciones de servicio y la mayoría de las aplicaciones de uso final implican algún grado de carga mecánica. Sin embargo, estas propiedades son las menos comprendidas por la mayoría de los ingenieros de diseño. La selección de materiales para una variedad de aplicaciones a menudo se basa en propiedades mecánicas como la resistencia a la tracción, el módulo, el alargamiento y la resistencia al impacto. Estos valores normalmente se derivan de la literatura técnica proporcionada por los proveedores de materiales. La mayoría de las veces, se pone demasiado énfasis en comparar los valores publicados de diferentes tipos y grados de plásticos y no lo suficiente en determinar el verdadero significado de las propiedades mecánicas y su relación con los requisitos de uso final. En aplicaciones prácticas, los plásticos rara vez, si acaso, se someten a una sola deformación constante sin la presencia de otros factores adversos, como el medio ambiente y la temperatura. Dado que los valores publicados de las propiedades mecánicas de los plásticos se generan a partir de pruebas realizadas en un laboratorio bajo condiciones de prueba estándar, el peligro de seleccionar y especificar un material a partir de estos valores es obvio. Una comprensión profunda de las propiedades mecánicas, las pruebas empleadas para determinar dichas propiedades y el efecto de las condiciones adversas sobre las propiedades mecánicas durante un largo período es extremadamente importante. La comprensión básica del comportamiento tensión-deformación de los materiales plásticos es de suma importancia para los ingenieros de diseño. En la figura se ilustra un diagrama típico de tensión-deformación (carga-deformación). Para una mejor comprensión de la curva tensión-deformación, es necesario definir algunos términos básicos asociados con el diagrama tensión-deformación.
Estrés. La fuerza aplicada para producir deformación en una unidad de área de un espécimen de prueba. El estrés es una relación entre la carga aplicada y el área de la sección transversal original expresada en lb/in.2. Cepa. La relación entre el alargamiento y la longitud calibrada de la muestra de ensayo, o dicho simplemente, el cambio de longitud por unidad de la longitud original (Δl/l). Se expresa como una razón adimensional. Alargamiento. El aumento en la longitud de un espécimen de ensayo producido por una carga de tracción. Límite de elasticidad. El primer punto de la curva tensión-deformación en el que se produce un aumento de la deformación sin que aumente la tensión. Fuerza de producción. La tensión a la que un material exhibe una desviación límite especificada de la proporcionalidad de la tensión a la deformación. A menos que se especifique lo contrario, esta tensión estará en el límite elástico. Límite proporcional. La mayor tensión a la que un material es capaz de soportar la carga aplicada sin ninguna desviación de la proporcionalidad de la tensión a la deformación (Ley de Hooke). Esto se expresa en lb/in.2. Módulo de elasticidad. La relación entre el estrés y la deformación correspondiente por debajo del límite proporcional de un material. Se expresa en F/A, generalmente lb/in.2 Esto también se conoce como módulo de Young. Un módulo es una medida de la rigidez del material. Fuerza final. El esfuerzo unitario máximo que soportará un material cuando se somete a una carga aplicada en compresión, tensión o corte. Esto se expresa en lb/in.2. Módulo secante. La relación entre la tensión total y la deformación correspondiente en cualquier punto específico de la curva de tensión-deformación. También se expresa en F/A o lb/in.2.
La aplicación de los métodos clásicos de tracción, flexión, compresión e impacto permite evaluar las propiedades mecánicas sobre probetas patrón según todas las normativas internacionales y sectoriales más importantes (UNI ISO, ASTM, DIN, AFNOR, BSI, SAE, FIAT Auto, PSA, VW…..). Los datos obtenidos de los ensayos mecánicos son de gran utilidad para el diseño o prototipado de nuevos productos plásticos y procesados directamente por el área de Ingeniería de Producto. Después de ver la geometría y el uso, es posible realizar pruebas mecánicas directamente en el producto terminado mediante el diseño e implementación de mordazas ad hoc. Finalmente, los dispositivos para realizar el ensayo CREEP recientemente adquiridos permiten determinar la deformación bajo carga constante en el tiempo. Las pruebas mecánicas de los polímeros son una parte vital del proceso de desarrollo y producción del producto. Las pruebas físicas y mecánicas de los polímeros garantizan que el material cumpla con las especificaciones de la industria. Esto se aplica a las industrias aeroespacial, automotriz, de consumo, médica y de defensa, entre otras. Con la amplia gama de tipos de productos y aditivos disponibles, comprender las capacidades y limitaciones de un material es una preocupación clave para los proveedores, fabricantes y desarrolladores de productos en todos los niveles de la cadena de suministro de la industria de polímeros. Las pruebas mecánicas pueden ayudar a los proveedores y fabricantes de materias primas a determinar las propiedades de sus productos a través de la amplia gama de métodos de prueba. Saber cuándo aplicar la técnica más relevante para obtener los datos necesarios requiere conocimientos, experiencia y conocimientos especializados. Cuando un material o aditivo no cumple con las especificaciones del usuario, la interpretación y el asesoramiento de expertos son muy necesarios. Es de gran importancia familiarizarse con algunas propiedades mecánicas básicas del material antes de su aplicación en cualquier campo, como cuánto se puede estirar, cuánto se puede doblar, qué tan duro o blando es, cómo se comporta en la aplicación de carga repetida y así sucesivamente. Las propiedades mecánicas más comúnmente especificadas de los polímeros incluyen la rigidez y la tensión de rotura, cuantificada en la tabla de propiedades y aplicaciones como módulo de flexión y resistencia a la tracción . Otra propiedad importante esdureza , que es la energía absorbida por un polímero antes de fallar, a menudo como resultado de un impacto repentino. Las aplicaciones repetidas de tensión muy por debajo de la resistencia a la tracción de un plástico pueden resultar en fallas por fatiga.
Fuerza: En palabras simples, la fuerza es la tensión necesaria para romper la muestra. Hay varios tipos de resistencia, a saber, tracción (estiramiento del polímero), compresión (comprimir el polímero), flexión (flexión del polímero), torsión (torsión del polímero), impacto (martilleo), etc. Los polímeros siguen el siguiente orden de resistencia creciente: lineal <ramificado <reticulado <red.
Porcentaje de alargamiento a la rotura (alargamiento máximo): Es la deformación del material al romperse. Mide el cambio porcentual en la longitud del material antes de la fractura. Es una medida de ductilidad. Las cerámicas tienen un valor muy bajo (<1%), los metales tienen un valor moderado (1-50%) y termoplástico (> 100%), termoendurecibles (<5%) de elongación para romperse.
Módulo de Young (módulo de elasticidad o módulo de tracción): el módulo de Young es la relación entre la tensión y la deformación en la región linealmente elástica. El módulo de elasticidad es una medida de la rigidez del material.
Tenacidad: la tenacidad de un material viene dada por el área bajo una curva de tensión-deformación. La tenacidad mide la energía absorbida por el material antes de que se rompa.
Viscoelasticidad: Existen dos tipos de deformaciones: elásticas y viscosas. Considere el nivel de tensión constante aplicado a un material. En la deformación elástica, la deformación se genera en el momento en que se aplica la carga (o tensión) constante, y esta deformación se mantiene hasta que no se libera la tensión.
Para aproximar las condiciones en que un material debe comportarse en servicio, es necesario cierto número de procedimientos de ensayo. La relación, entre varios procedimientos de ensayo, se puede evidenciar mediante una clasificación ordenada de las condiciones de ensayo, los tipos principales de las cuales son:
- Aquellas relacionadas con la forma en que la carga es inducida
- Aquellas que tienen que ver con la condición del material o probeta misma en el momento del ensayo
- Aquellas relacionadas con la condición de los alrededores durante el progreso del ensayo, como en los estudios de exposición atmosférica
El método de aplicación de la carga es la base más común para designar o clasificar los ensayos mecánicos. Hay tres factores involucrados en la definición de la manera en que la carga es aplicada: la clase de esfuerzo inducido, la velocidad a la cual la carga se aplica y el número de veces que la carga es aplicada. En el ensayo mecánico de probetas preparadas hay cinco tipos primarios de cargas; según el dictado por la condición de esfuerzo a inducir: tensión, incluido, corte directo, torsión y flexión. Con respecto al ritmo según el cual se aplica, los ensayos pueden clasificarse en tres grupos. Es la carga es aplicada durante un período de tiempo relativamente corto, pero con lentitud suficiente para que pueda considerar que la rapidez del ensayo tiene un efecto prácticamente despreciable sobre los resultados, el ensayo se denominina estático. Yes la carga es aplicada muy rápidamente de mode que el efecto de la inercia y el factor tiempo queden involucrados, los ensayos se llaman dynámicos. Es la carga se sostiene durante un largo período, el ensayo se denomina de largo duración, de donde los ensayos de creep constituyen un caso especial. Con respecto al número de veces que la carga es aplicada, los ensayos pueden clasificarse en dos grupos: En el primer grupo, el cual incluye el mayor número de ensayos realizados, una sola aplicación de carga constituye el ensayo. En el segundo grupo, la carga si repite muchas veces, millones si es necesario.
Aspectos generales de la falla en los materiales
La falla puede considerarse como la alteración del comportamiento característico del acuerdo con alguna propiedad física básica. Por ejemplo, el es forzar o deformar un material más allá del límite elástico, es decir sin recuperación de su forma o longitud original. A nivel macroescalar la falla puede concebirse como el grado de deformación qué sea excesivo en relación con el desempeño aceptable de un miembro de alguna estructura o máquina. La falla puede ocurrir de tres maneras fundamentales: por deslizamiento o flujo, por separación, y por pandeo. El deslizamiento o flujo ocurre bajo la acción de esfuerzos cortantes. Esencialmente, los planos paralelos dentro de un elemento de un material si mueven (se deslizan o desplazan) en direcciones paralelas; la acción continua de esta manera, a un volumen constante y sin desintegración del material, si se llama creep, o flujo plástico. El deslizamiento puede terminar por ruptura cuando las fuerzas moleculares (o esfuerzos de escala similar) son rebasadas. Estos esfuerzos cortantes que provocan el deslizamiento son originados por cargas tensivas o comprivas, cargas torsionales o cargas flexionantes. La separación es una acción inducible por los esfuerzos tensivos. Si marca cuando el esfuerzo normal a un plano excede las fuerzas internas que aglutinan el material; la fisura por separación se denomina frecuentemente fractura por fisura. Los estados de esfuerzos que involucran esfuerzos tensivos suficientes para causar la fractura por fisura pueden ser inducidos por cargas diferentes de las primarys tensivas. El pandeo es un fenómeno de inclusión. Se puede inducir un defecto por pandeo mediante una carga diferente de la carga primaria que comprende; por ejemplo, la carga torsional de un tubo de pared delgada puede arrojar pandeo resultado por los esfuerzos comprivos inducidos; o en una viga de madera, bajo carga flexionante, la fuga puede comenzar por el pandeo localizado de las fibras de madera en la superficie y en la viga.
Tensión de los materiales
As fundamental part en la formación y en la vida laboral del ingeniero químico es de suma importancia que logre identar las propiedades mecánicas de los materiales que este debe empleen cualquier campo de su profesión, durante este capítulo se hablara de distinciones de estas propiedades mecánicas que desarrollmos de forma que se pueda dar una interpretación fácil del comportamiento del material comenzando con algunas definiciones.
Deformación y esfuerzo
Si se puede definir como deformación en el cambio de tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo (fuerzas externas) o en ocurrencia por dilatación. Esta deformación es función de las propiedades mecánicas del material. Por ejemplo, al extirar una liga this changes on longitud, un niño al aplastar on plastilina hace que esta cambia de forma. En ocasiones, mas en el campo de la ingeniería, existen procesos en los cuales los cuerpos ofrecen a deformarse muy poco que no se aprecia una vista simple, mas, sin embargo, estas deformaciones son de suma importancia a la hora de assign her a labor un material, un ejemplo muy práctico es la dilatación térmica de las vías de acero de los trenes, durante las temporadas de gran calor estas a dilatarse debido al exceso de calor, los ingenieros encargados deben hacer un cálculo de la deformación por dilatación que haz estas para saber el espacio que deben dejar entre ellas. Dentro de las deformaciones existen dos tipos que es de suma importancia su comprión ya que son unas de las propiedades más importantes de los materiales, estas son la deformación elástica y la deformación plástica. Su estado original al retirarle la fuerza que hacía que este se deformara . Por ejemplo, al estirar una liga como se mencionó antes, this changes on longitud, but al dejar de hacer este estiramiento esta regresa a su forma natural. o Deformación plástica: es aquella en el cual el material una vez deformado no puede regresar a su forma original, un ejemplo es cuando sometemos un plástico a distinciones de temperaturas, una vez dilatado este no podrá regresar a su estado natural. Todos los materiales presentan ambas propiedades, pero dependiendo de las propiedades del material estarán en el rango en el se logre apreciar el tipo de deformación, propiedades como la estructura atómica.
Esfuerzo
Si llama esfuerzo a la magnitud de las fuerzas internas que realiza un material para contrarrestar las fuerzas externas que actúan para deformarlo. Grabar la tercera ley de Newton que nos dice "A toda acción correspondiente una reacción igual o contraria" y aplicar el balance de fuerzas ∑ 𝐹 = 0 para que nuestro cuerpo de estudio (en nuestro caso el material a tratar) pueda permanecer en estado de reposo ya este se le aplique una fuerza, nuestro material debe “reaccionar” con una fuerza de igual magnitud. Este tipo de fuerza es el esfuerzo que debe hacer el material.
Tracción de los materiales
Si llama tracción al esfuerzo interno que realiza un material por la aplicación de dos fuerzas externas, que desea erradicarlo, esta propiedad nos es de vital importancia al momento de seleccionar nuestro material en una aplicación específica, ya que esta está implícita en la fuerza de tensión. Estos son los valores de las fuerzas distribuidas por unidad de área determinadas en cualquier parte interna del material. Debido a esto, la tracción se podría considerar como 𝐹/𝐴 y debería tener unidades de presión, como pascales, que es la unidad derivada estándar de medición de presión en el SWI.
Tensión
La tensión se puede definir como lo opuesto a la tracción , un cuerpo experimenta una tensión al ser alargado por cualquier punto en torno del material, la tracción al ser la magnitud que se opone a esta fuerza, y siguiendo la tercera ley de Newton, para que en todo punto siempre haya un balance de fuerza es Es necesario que el material realice un exfuerzo de la misma magnitud de la fuerza aplicada, en todos los casos podemos decir que la tensión es proporcional a la tracción. Por esta propiedad se puede decir que la tensión 𝜎 (con esta letra denotaremos la tensión) está dada por la fórmula 𝜎 = 𝐹/𝐴 en donde el área será el área transversal y siempre en la misma dirección en la que se está aplicando la fuerza. La tensión de un material tiene puntos distintivos de deformación.
Compresión
En general, cuando si agrega un material a un conjunto de fuerzas si produce la aparición de tensiones tanto de tracción como de incluido. En el material el esfuerzo de compresión puede ser simplemente la fuerza resultante que actúa
sobre una determinada sección transversal al eje en dirección de la fuerza aplicada a dicho
material, lo que tiene el efecto de acortar la pieza en la dirección a este eje.
La diferencia clara entre la compresión y la tensión es que la compresión se aplican fuerzas
siempre hacia la parte central del material y tienden a acortar la longitud, a ocupar menos
espacio, en cambio, la tensión siempre son fuerzas aplicadas en sentido opuesto al material y
su longitud será más larga, ocupara más espacio.
Ensayo de tracción
Para los ingenieros en general es importancia la mediación de las propiedades de la infinita
gama de materiales utilizados en infinitos procesos industriales, estas propiedades siempre
nos dirán cuál es el mejor material a utilizar en una tarea asignada, conforme el avance de la
tecnología nuevos materiales salen a la luz, y con ellos competencia tanto en los mercados
como en sus implementos debido a distintos factores que la tarea del material pueda presentar
ante este.
En el ensayo de tracción, antes que nada se necesitan distintos materiales, el más importante
es una probeta (figura dx) la cual debe estar estandarizada, según la norma EN 10002.
Nuestra probeta debe tener una parte
rebajada en el centro, sección transversal
circular o rectangular 𝑆𝑜, y una longitud
calibrada 𝐿𝑐
, la cual consiste en tener
unas marcas para saber su longitud antes
de que sea deformada.