Tema 3: Propiedades mecánicas de los Materiales.

1. Tensión y deformación. Rigidez.

2. Mecanismos de deformación. Tipos.

3. Endurecimiento.

4. Fluencia y Relajación.

5. Mecanismos de fractura.

6. Acciones mecánicas sobre materiales.

7. Ensayos de caracterización.MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN. GRADO EN F. ARQUITECTU RA Y U.

Curso 2018-2019. Escuela Técnica Superior de Arquit ectura.Profesor Gonzalo Barluenga Badiola

Objetivos Docentes :

• “Conocer los conceptos básicos de mecánica yresistencia de materiales y evaluar elcomportamiento mecánico de los Materiales deConstrucción.”

• “Conocer los tipos de acciones mecánicas yevaluar las propiedades mecánicas de materialespartiendo de resultados experimentales.”

Propiedades mecánicas

• Definición:

“Son los parámetros que definen el comportamiento delos materiales frente a acciones mecánicas.”

• Pueden variar con el tiempo (durabilidad yenvejecimiento) o por las condiciones ambientales.

• El comportamiento de los materiales frente a accionesde tipo mecánico está ligado a su microestructura.

• Las propiedades se pueden determinar medianteensayos de caracterización.

Acciones mecánicas sobre los materiales• Son todas las variaciones del medio quemovilizan

mecanismos de tensiónen los materiales.• Por tanto, producen cargas mecánicas sobre el material.• Pueden ser acciones mecánicasdirectas (fuerzas,

desplazamientos impuestos o momentos) oindirectas.• Las acciones higrotérmicas pueden suponer acciones

mecánicas sobre materiales que tienen limitado sudesplazamiento (dilatación térmica o entumecimiento).

• Dependiendo de la velocidad de carga, se considerancomo estáticas (lentas) o dinámicas (rápidas y,normalmente, repetitivas).

• En función de la duración de la carga pueden servariables o permanentes(de larga duración).

Carga y Tensión• Las cargas mecánicas que soportan los materiales de un

edificio son consecuencia de las acciones exteriores.

• Tipos de cargas: Fuerzas, momentos, desplazamientos.

• Cuando se aplica una carga sobre un material, esteresponde poniendo su microestructura en tensión paraalcanzar el equilibrio (Principio de acción y reacción).

• La tensión (σ) se define como el esfuerzo mecánico querealiza un material para responder a una carga.

• Se mide en unidades de presión:

1MPamm

N1

cm

kg10

22≈≈

Esfuerzos mecánicos sobre los materiales

• Existen varios tipos de esfuerzos mecánicos:

• Con respecto a un eje (axiles): Compresión

Tracción

• Con respecto a un plano: Cortante

• Giro de un par de fuerzas con respecto a un eje:Torsión.

• Combinación de esfuerzos axiles: Flexión

Esfuerzos mecánicos sobre los materiales

Esfuerzo de Tracción

Esfuerzo de Cortante

Esfuerzo de Torsión

Esfuerzo de Compresión

Esfuerzo de Flexión

Cargas y tensiones axiles (tracción y compresión)

• Las tensiones producidas por una carga axil (fuerzasde compresión o de tracción) son inversamenteproporcionales a la sección de la pieza (área).

A

P=σ

(Unidades: kg/cm2, N/mm2, Mpa)

P

P

A

Cargas y tensiones de flexión• Flexión: tipo de esfuerzo que presenta un elemento

alargado apoyado al menos en dos puntos cuandoactúa una carga en perpendicular a su ejelongitudinal.

W

M f=fσM f: momento flector máximo dela sección (depende de la cargaaplicada)W: módulo resistente de lasección (depende de la forma dela muestra)

Movimiento y Deformación

• Cuando una pieza de un determinado material se cargamecánicamente, se produce un desplazamiento medible.

• Este desplazamiento es fruto de la deformaciónmicroestructural del material.(las partículas de material se acercan o se alejan entre sí)

• La deformación es unitaria (adimensional).

• La deformación unitaria longitudinal (axial) es larelación entre el incremento de longitud y la longitudinicial:

L

∆LεL =

Coeficiente de Poisson

• Cuando una pieza de un determinado material sufre unacarga axial, se produce unaεLongitudinaly unaεTransversal.

• Ambas deformaciones son perpendiculares entre sí y serelacionan mediante el Coeficiente de Poisson (ν):

• El signo negativo compensa el hecho de queεLongitudinal yεTransversalson de signo contrario

• El Coeficiente de Poisson (ν) depende del material.

L

T

ε

ε-=ν

Módulo de Rigidez (o de Young)• Es la relación entre la tensión y la deformación

experimentada por un material.

• Se mide en unidades de presión (igual que la tensión).

• Si la tensión y la deformación son proporcionales, elMódulo de Rigidez (E) es constante (Ley de Hooke).

σ

θ

ε

tanθε

σE ==

Mecanismos de deformación(Escala microscópica)

• La respuesta mecánica de los materiales bajo carga sepuede explicar desde una escala atómica.

• Un material descargado tiene sus átomos en equilibriopor acción de las fuerzas electromagnéticas (enlaces).

• Al cargar el material, los átomos se juntan o se separan,aumentando las fuerzas interatómicas (repulsión oatracción ) y produciendo tensiones.

• A esta escala, todos los materiales muestran unatensión proporcional a la deformación (E es constante yse denomina Módulo de Elasticidad teórico).

Mecanismos de deformación(Escala macroscópica)

• La existencia de defectos en los materiales cristalinos(dislocaciones, fisuras, poros) modifican sucomportamiento mecánico a escala macroscópica.

• A esta escala, la tensión no es proporcional a ladeformación (E no es constante, salvo para tensionesmuy bajas).

• Además, los materiales con estructura amorfapresentan comportamientos diferentes a los cristalinos.

• Se pueden distinguir varios tipos de mecanismos dedeformación.

Mecanismos de deformación(Escala macroscópica)

Tipos de Mecanismos de deformación

• Los principales mecanismos de deformación son tres:

Deformación elástica

Deformación plástica

Deformación viscosa

• Se trata de mecanismos teóricos que, aunque no se danpuros en la realidad, permiten estudiar y analizar losmateriales.

• Estos mecanismos se suelen combinar (elasto-plástico,visco-elástico, etc.)

Comportamiento elástico

• La deformación instantánea producida por la carga esrecuperable (vuelve a su forma original al cesar lacarga).

• Si además cumple la Ley de Hooke, es elástico lineal.

• Esta proporcionalidad entreσ y ε se cumple hasta unvalor de tensión límite, llamado Límite elástico (σ0).

• La deformación hasta este punto es elástica (εel).

tanθε

σE

el

0 ==σ

θ

ε

σ0

εel

Comportamiento plástico• La deformación instantánea del material aumenta a

tensión constante.

• La deformación plástica no es recuperable.• Aparece combinado con un comportamiento elástico

lineal (elasto-plástico) una vez alcanzado el Límiteelástico (σ0) (también llamado Límite de cedencia).

θ

σ0

εel

εpl

σ

εεel

εtotal

pleltotal εεε +=

Límite elástico de materiales• En los materiales “reales”, elσ0 se calcula referido al

Módulo de Young en el origen de la gráfica tensión /deformación, referido a unaε de 0,002 (0,2 %).

Ductilidad, Tenacidad y Resiliencia• La Ductilidad o Deformabilidad es la capacidad de

deformación hasta rotura de un material.

• El área bajo la gráficaσ/ε es la Energía absorbida porel material en la fase de carga. Depende de la velocidadde carga:

• Tenacidad: energía de deformación absorbida por elmaterial hasta rotura, bajo una carga lenta.

• Resiliencia: energía de deformación absorbida por elmaterial hasta rotura, bajo una carga rápida (impacto).

• El área bajo la gráficaσ/ε en la fase de descarga es laEnergía devuelta. La diferencia (Eabs-Edev) es la Energíadisipada por el material

Comportamiento plástico (metales)

Descargado

Orientación de los granos de un metal por tensiones de tracción

Cargado

Los granos se orientan en la dirección de la tensión, deformándose. Para que uno se deforme, los adyacentes deben deformarse también.

Comportamiento viscoso

• La deformación diferida del material aumenta bajocarga constante a lo largo del tiempo y sin alcanzarσ0.

• Se diferencia del comportamiento plástico porque:

- Depende del tiempo.

- No se supera el Límite elástico del material.

• Se puede decir que el material sólido en tensión “fluye”como un líquido con mucha viscosidad.

• Se manifiesta asociado a los comportamientosanteriores: visco-elástico y visco-elasto-plástico.

Comportamiento viscoso

Fluidos Viscosidad aproximada (mPa·s)

Vidrio 1043

Vidrio Fundido 1015

Betún 1011

Polímeros fundidos 106

Miel líquida 104

Glicerol 103

Aceite de oliva 102

Agua 100

Aire 10-2

Fluencia y Relajación• Son fenómenos producidos por el comportamiento

viscoso de los materiales (a largo plazo).

• Fluencia: aumento de la deformación en el tiempo deun material sometido a tensión constante.

• Relajación: reducción de la tensión de un material en eltiempo sometido a una deformación constante.

∆ε

Fluencia

P

ti = 0

P

tf = nRelajación

σi > σf

Fluencia

Curva de deformación por fluencia bajo carga constante

(Material con comportamiento visco-elasto-plástico)

Comportamiento frente a acciones dinámicas• La respuesta mecánica de los materiales depende de la

velocidad de carga y del número de repeticiones.• Normalmente los materiales muestran mayor

resistencia al aumentar la velocidad de carga(impactos).

• Se distinguen tres parámetros de caracterización:Resistencia a impacto: aplicación de una carga muyrápida. El material responde absorbiendo energía(Resiliencia).Fatiga: aplicación de cargas repetidas inferiores a laresistencia estática y repetidamente hasta rotura. Larotura se produce a tensiones inferiores a la resistenciaestática.Amortiguamiento: Capacidad de disipación de energía.

Fatiga• Definición: fenómeno de reducción de la resistencia de

los materiales cuando se le aplican solicitacionesrepetidas inferiores a la resistencia estática.

• Afecta atodos los materiales.

• Se produce por el crecimiento dedefectos existentesen los materiales (fabricación, procesado, etc.)

• Produce la rotura por la repetición de la carga y no porla duración (no confundir con fluencia).

• Para algunos materiales, hay un valor por debajo delcual no hay fatiga (Límite de fatiga).

Fatiga

Mecanismos de fractura

• Los materiales tienen una capacidad de soportartensiones limitada, llamada Resistencia mecánica.

• La Fractura es el fallo de un material cuando se superasu capacidad mecánica (en general, se produce larotura).

• La estructura y composición de un material, junto conlos defectos (dislocaciones, fisuras, poros) determinanla capacidad mecánica y el tipo de fractura.

• La fractura depende de otros factores:

(velocidad de carga y tiempo de aplicación, historia decarga, repetición de la carga, estado tensional delmaterial).

Tipos de fractura

• Están relacionados con los mecanismos de deformación:

Frágil: baja deformación en rotura (elástico).

Dúctil: alta deformación en rotura (muy plástico).

Por fluencia: rotura por deformación diferida (viscoso).

Por fatiga: cargas repetidas inferiores a σmáxima.

Frágil Poco dúctil Dúctil Por Fluencia

Resumen de comportamiento mecánico

DeformaciónDependencia del tiempo

RecuperableTipo de fractura

Elástica NO SI Frágil

Plástica NO NO Dúctil

Viscosa SI NO Fluencia

Visco-elástica

NO (depende de la

repetición de carga)

Parcialmente Fatiga

Dureza (superficial) de los Materiales

• Es la propiedad de un Material que indica laresistencia a ser deformado en su superficie, por laacción mecánica de un cuerpo.

• Se determina mediante magnitudes relativas (porcomparación).

• Se aplica una carga conocida con el elementoagudizado (punta) sobre la superficie de unaprobeta.

• La acción que se aplique determina el tipo deDureza (Rockwell, Vickers, Brinell, Shore).

Desgastabilidad

• Es la resistencia que ofrece un material al desgaste por rozamiento.(Importante en materiales sometidos a este tipo de agresiones tanto por agentes exteriores, como mecánicos).

• Se mide mediante el Coeficiente de desgastabilidad: “Perdida de volumen por unidad de superficie expuesta a la abrasión que experimenta un material de construcción cuando esta sometido al ensayo de desgastabilidad”(Tiene dimensiones de longitud, ya que es una relación entre volumen y superficie)

Ensayos de caracterización mecánica

• El comportamiento mecánico de los materiales secaracteriza mediante ensayos sobre muestras o probetas.

• Pueden ser destructivos (se rompe la probeta) o nodestructivos (la probeta se puede ensayar de nuevo).

• Los resultados de los ensayos nos permiten conocer lasresistencias, rigidez, dureza y el comportamientodinámico de los materiales.

• Es necesario realizar series de ensayos para calcular losvalores característicos y medios de cada propiedad.

Ensayos de resistencia

• Se somete a una probeta de material de dimensionesconocidas a cargas mecánicas hasta rotura.

• La geometría del ensayo y la probeta y el tipo de cargadepende del tipo de material y tipo de esfuerzo:(Tracción, compresión, cortante, flexión, torsión, etc.)

• Se mide la carga y el desplazamiento sufrido y secalcula la tensión y la deformación.

• Conocida la curvaσ/ε , se puede calcular el Módulo deYoung, límite elástico, ductilidad, tenacidad ymecanismos de deformación principales.

Ensayos de resistencia

Ensayo de resistencia a compresión

Equipo de ensayo de compresión

Probeta de hormigón ensayada a compresión

Ensayo de resistencia a tracción

Ensayo de resistencia a cortante

Ensayo a cortante de una probeta de madera

Ensayo de resistencia a flexión

Probeta de hormigón a flexión

Mecanismo del ensayo

Ensayos de rigidez mecánica• Existen ensayos no destructivos que permiten conocer,

de manera indirecta la rigidez de los materiales.

Ensayo de rigidez de un hormigón por ultrasonidos

Ensayos de rigidez mecánica

Ensayos de Dureza superficial

• Se utilizan para conocer la resistenciasuperficial de los materiales frente a lapenetración de un elemento agudizado.

• Se aplica una carga conocida con elelemento agudizado (punta) sobre lasuperficie de una probeta.

• Se mide la huella dejada en la probeta.

• Existen diferentes puntas y escalas de medida adecuadas a cada material.(Rockwell, Vickers, Brinell, Shore)

Durómetro

Ensayos de comportamiento dinámico

• La resistencia de los materiales depende de lavelocidad de carga y del número de repeticiones.

• Ensayos de impacto: Se aplica una carga muy rápida(impacto), se mide la deformación producida y secalcula la Resiliencia (energía absorbida).

• Ensayos de fatiga: cargas repetidas inferiores a laresistencia estática y repetidamente hasta rotura.

La rotura se produce después de un número de ciclos.

Se repite el ensayo para diferentes cargas.

• Algunos materiales presentan una Ley de fatiga(resistencia bajo cargas repetidas < bajo carga estática)

Ensayos de impacto

Péndulo de Charpy

Probetas ensayadas a impacto

Ensayo de impacto (caída

de bola)

C. Vielba

Ensayos de fatiga

Mecanismo de ensayo de fatiga a tracción

Gráfica de ensayo de un material con límite de fatiga

Tema 3: Propiedades mecánicas de los Materiales.

1. Tensión y deformación. Rigidez.

2. Mecanismos de deformación: Tipos.

3. Endurecimiento.

4. Fluencia y relajación.

5. Mecanismos de fractura.

6. Acciones mecánicas y ensayos decaracterización mecánica.

Glosario de conceptos del Tema•Propiedades mecánicas •Deformación elástica •Impacto

•Acciones mecánicas •Límite elástico •Amortiguamiento

•Tipos de acciones •Ley de Hooke •Fractura: tipos

•Carga: tipos •Deformación plástica •Deformación-Fractura

•Tensión •Deformación viscosa •Dureza

•Esfuerzos mecánicos •Ductilidad •Desgastabilidad

•Esfuerzos axiles •Tenacidad •Ensayos mecánicos

•Esfuerzos de flexión •Resiliencia •Ensayos resistencia

•Desplazamientos •Endurecimiento •Ensayos no-destructivos

•Deformación •Fluencia •Ensayos dinámicos

•Coef. Poisson •Relajación •Valor medio

•Módulo de Rigidez (Young)

•Comportamiento dinámico

•Valor característico

•Mecanismos deformación •Fatiga

Bibliografía de consulta recomendada.

• Callister, W.; Ciencia e ingeniería de materiales, Ed. Reverté, 2016.

• Smith, W.; Fundamentos de ciencia e ingeniería de los materiales, Ed. McGraw-Hill, 2014.

• Normas de ensayo UNE-EN.

• Código Técnico de la Edificación (CTE):Parte II:.– Documentos Básicos Seguridad Estructural (DB-SE):

DB-SE- A Estructuras de AceroDB-SE- F Estructuras de FábricaDB-SE- M Estructuras de Madera

• EHE (2008).