¿Qué hace que un material sea adecuado para una aplicación específica de ingeniería? La respuesta está en conocer sus propiedades. Este artículo aborda 11 propiedades esenciales de los materiales, como la resistencia mecánica, la tenacidad al impacto y la conductividad térmica, y ofrece información sobre sus definiciones, significado e implicaciones prácticas. Al final, comprenderá cómo influyen estas propiedades en el rendimiento de los materiales y su papel fundamental en el diseño y la fabricación.
Locura: La cuarteadura es un tipo de defecto que se produce en el proceso de deformación de los materiales poliméricos. Aparece como un color plateado debido a su baja densidad y alta reflectividad a la luz. El cuarteo se produce en las partes débiles o defectuosas de los materiales poliméricos.
Superplasticidad: En determinadas condiciones, el material presenta un alargamiento muy grande (en torno a 1000%) sin que se produzcan estrangulamientos ni roturas, lo que se denomina superplasticidad. La proporción de la deformación generada por el deslizamiento de los límites de grano, εg, en la deformación total, εt, suele estar entre 50% y 70%, lo que indica que el deslizamiento de los límites de grano desempeña un papel importante en la deformación superplástica.
Fractura frágil: Antes de que el material se fracture, no hay una deformación plástica macroscópica evidente ni señales de advertencia. Este proceso suele ser repentino y rápido, lo que lo hace muy peligroso.
Fractura dúctil: Proceso de fractura que muestra una deformación plástica macroscópica evidente antes y durante la fractura. En la fractura dúctil, el proceso de propagación de la grieta suele ser lento y consume una gran cantidad de energía de deformación plástica.
Fractura de escisión: La fractura frágil a lo largo de un plano cristalino específico causada por la destrucción de los enlaces de unión entre átomos bajo tensión normal se denomina fractura por clivaje. El escalón de clivaje, el patrón de río y el patrón de lengüeta son las características microscópicas básicas de la fractura por clivaje.
Fractura por cizallamiento: La fractura por cizallamiento es la fractura causada por el deslizamiento y la separación del material a lo largo del plano de deslizamiento bajo tensión de cizallamiento. La fractura por agregación de microporos es un modo común de fractura dúctil en materiales. La superficie de fractura suele ser gris oscura y fibrosa en macro, mientras que la superficie de microfractura tiene un patrón característico de muchos "hoyuelos" distribuidos en la superficie.
Tipo de tensión, grado de deformación plástica, presencia o ausencia de presagio y velocidad de propagación de la grieta.
Si el material no experimenta deformación plástica o experimenta muy poca deformación plástica antes de la fractura, y la fractura frágil se produce sin necking, entonces la tensión crítica, σc, es igual a la tensión de rotura, σb.
Sin embargo, si el necking se produce antes de la fractura, σc y σb no son iguales.
La fórmula de Griffith sólo es apropiada para sólidos quebradizos que contienen microfisuras, como el vidrio, los materiales cristalinos inorgánicos y el acero de resistencia ultra alta.
En muchos materiales estructurales de ingeniería, como el acero estructural y los materiales poliméricos, la punta de la grieta experimenta una deformación plástica significativa, que consume una gran cantidad de energía de deformación plástica.
Por lo tanto, la fórmula de Griffith debe modificarse para reflejar con precisión este fenómeno.
La relación entre la tensión de cizalladura máxima, τmax, y la tensión normal máxima, σmax, se denomina coeficiente de suavidad del estado de tensión, denotado por α.
Cuanto mayor sea α, mayor será la componente de tensión de cizallamiento máxima, lo que indica un estado de tensión más blando y una mayor facilidad de deformación plástica en el material.
Por el contrario, cuanto menor es α, más duro se vuelve el estado de tensión, lo que conduce a una fractura más frágil.
Cuando una probeta tiene una muesca, su límite elástico es mayor que el de una probeta sometida a tensión uniaxial debido a la presencia de tensión triaxial, lo que se denomina fenómeno de "refuerzo de la muesca".
Sin embargo, este "refuerzo de la muesca" no puede considerarse un método de refuerzo del material, ya que es únicamente el resultado de la deformación plástica del material constreñido por la tensión tridimensional.
En este caso, el valor de σs propio del material no varía.
Revisado:
En tensión unidireccional, el componente de tensión normal es grande mientras que el componente de tensión de cizallamiento es pequeño, lo que da lugar a un estado de tensión dura.
Este ensayo suele aplicarse a materiales con baja resistencia a la deformación plástica y al corte, conocidos como materiales plásticos.
La compresión unidireccional tiene un coeficiente de suavidad del estado de tensión de a=2, y se utiliza principalmente para ensayar materiales frágiles.
Los ensayos de flexión no sufren la desviación de la probeta que se produce durante los ensayos de tracción.
En la flexión, la distribución de tensiones en la sección transversal alcanza su máximo en la superficie, lo que la convierte en una forma eficaz de reflejar los defectos superficiales de los materiales.
Prueba de torsión: El coeficiente de suavidad del estado de tensión en torsión es mayor que en tracción, lo que lo convierte en un método eficaz para evaluar la resistencia y la plasticidad de los materiales que son frágiles en tracción.
En el ensayo de torsión, la distribución de tensiones en la sección de la muestra es más alta en la superficie, lo que la hace muy sensible a las características del material. endurecimiento superficial y defectos superficiales.
El ensayo de torsión da como resultado una tensión normal y una tensión de cizallamiento aproximadamente iguales.
La superficie de fractura en el ensayo de torsión es perpendicular al eje de la muestra y suele utilizarse para evaluar materiales plásticos.
En la fractura normal, el ángulo entre la superficie de fractura y el eje de la muestra es de aproximadamente 45 grados, lo que se debe a la tensión normal. Los materiales frágiles presentan con frecuencia este tipo de superficie de fractura.
El principio del ensayo de dureza Vickers es similar al del Dureza Brinell ya que ambos métodos calculan los valores de dureza en función de la carga por unidad de superficie de la indentación.
La principal diferencia entre las dos pruebas es el tipo de penetrador utilizado. En el ensayo de dureza Vickers se utiliza un penetrador piramidal de diamante con un ángulo de 136 grados entre los lados opuestos. En cambio, en el ensayo de dureza Brinell se utiliza una bola de acero templado o un aleación dura bola como penetrador.
Ventajas del ensayo de dureza Brinell:
La gran superficie de indentación del ensayo de dureza Brinell hace que sea capaz de reflejar el rendimiento medio de cada fase constituyente en una gran superficie, y los resultados del ensayo son estables y altamente repetibles.
Por ello, el ensayo de dureza Brinell es especialmente adecuado para medir la dureza de materiales como hierro fundido gris y aleaciones para rodamientos.
Desventajas del ensayo de dureza Brinell:
El gran diámetro de indentación del ensayo de dureza Brinell lo hace generalmente inadecuado para la inspección directa de productos acabados.
Además, la necesidad de sustituir el diámetro del indentador y la carga para materiales con dureza variable, así como la inconveniencia de medir el diámetro de la indentación, son inconvenientes adicionales del ensayo.
Ventajas del ensayo de dureza Rockwell:
Funcionamiento fácil y rápido;
La muesca es pequeña y la pieza puede inspeccionarse directamente;
Desventajas:
Mala representación debido a la pequeña sangría;
Los valores de dureza medidos con diferentes escalas no pueden compararse directamente ni intercambiarse.
El ensayo de dureza Vickers tiene muchas ventajas:
Medición precisa y fiable;
Puede seleccionar cualquier carga.
Además, la dureza Vickers no tiene el problema de que no se puede unificar la dureza de diferentes escalas de dureza Rockwell, y el grosor de la probeta es más fino que el de la dureza Rockwell.
Desventajas del ensayo de dureza Vickers:
Su método de medición es problemático, su eficiencia de trabajo es baja, el área de indentación es pequeña, y su representatividad es pobre, por lo que no es adecuado para la inspección de rutina de la producción en masa.
Lectura relacionada: Dureza de los metales: La Guía Definitiva
Cuando la temperatura durante el ensayo desciende por debajo de una determinada temperatura, tk (la temperatura de transición dúctil-frágil), los materiales como los metales y aleaciones bcc o de cristales hexagonales estrechamente empaquetados, en particular los aceros estructurales de resistencia media y baja utilizados habitualmente en ingeniería, experimentan una transición de un estado dúctil a un estado frágil, lo que provoca una disminución significativa de la energía de absorción del impacto.
Esta transición se caracteriza por un cambio en el modo de fractura, que pasa de la agregación de microporos a la escisión transgranular, y un cambio en el aspecto de la fractura, que pasa de fibroso a cristalino, fenómeno conocido como fragilidad a baja temperatura.
A temperaturas inferiores a la temperatura de transición dúctil-frágil, la resistencia a la fractura es inferior a la límite elásticolo que provoca un comportamiento frágil a bajas temperaturas.
A. Influencia de la estructura cristalina: Los metales cúbicos centrados en el cuerpo y sus aleaciones presentan fragilidad a baja temperatura, mientras que los metales cúbicos centrados en la cara y sus aleaciones no suelen presentar fragilidad a baja temperatura.
La fragilidad a baja temperatura de los metales BCC puede estar estrechamente relacionada con el fenómeno de cedencia tardía.
B. Influencia de la composición química: aumenta el contenido de elementos de soluto intersticiales, disminuye la energía superior y aumenta la temperatura de transición dúctil-quebradiza.
C. Influencia de la microestructura: El refinamiento del grano y de la estructura puede aumentar la tenacidad de los materiales.
D. Influencia de la temperatura: Es relativamente complejo, y quebradizo (azul quebradizo) se produce dentro de un cierto rango de temperaturas.
E. Efecto de la velocidad de carga: Aumentar la velocidad de carga es como bajar la temperatura, lo que aumenta la fragilidad del material e incrementa la temperatura de transición dúctil-quebradizo.
F. Influencia de la forma y el tamaño de la probeta: cuanto menor sea el radio de curvatura de la muesca, mayor será tk.
Los límites de grano sirven de resistencia a la propagación de grietas.
La reducción del número de dislocaciones en el empaquetamiento previo al límite de grano contribuye a reducir la concentración de tensiones.
Un aumento de la superficie total del límite de grano reduce la concentración de impurezas a lo largo de los límites de grano, reduciendo así la probabilidad de fractura frágil intergranular.
Cuando la tensión de trabajo de las piezas grandes no es elevada, incluso muy por debajo del límite elástico, a menudo se produce la fractura frágil, que se denomina fractura frágil de baja tensión.
KIC (el factor de intensidad del campo de tensión-deformación en la punta de la grieta en el cuerpo de la grieta) es una medida de la tenacidad a la fractura por deformación plana y representa la capacidad de un material para resistir la propagación inestable de la grieta en condiciones de deformación plana.
JIc (la energía de deformación en la punta de la grieta) también se conoce como tenacidad a la fractura y representa la capacidad de un material para resistir el inicio y la propagación de grietas.
GIc representa la energía consumida por unidad de superficie para evitar la propagación inestable de grietas en un material.
δC (desplazamiento de apertura de grieta), también conocido como tenacidad a la fractura del material, indica la capacidad de un material para evitar que se inicie la expansión de la grieta.
KI y KIC son dos conceptos distintos.
KI es un parámetro mecánico que representa la fuerza del campo de tensión-deformación en la punta de la grieta en el cuerpo de la grieta y depende de la tensión aplicada, el tamaño de la muestra y el tipo de grieta, pero es independiente del material.
Por otro lado, el KIC es un índice de propiedades mecánicas del material que depende de factores internos como la composición y la estructura, pero que no se ve afectado por factores externos como la tensión aplicada y el tamaño de la muestra.
La relación entre KI y KIC es similar a la que existe entre σ y σs, donde KI y σ son parámetros mecánicos, y KIC y σs son índices de propiedades mecánicas de los materiales.
(1) Este tipo de fallo es un fallo repentino e inesperado que se produce sin deformación plástica apreciable antes de fallo por fatiga y se caracteriza por una fractura frágil.
(2) Fallo por fatiga es un tipo de fractura retardada de ciclo de baja tensión.
(3) La fatiga es muy sensible a defectos como muescas, grietas y defectos estructurales.
(4) Las formas de fatiga pueden clasificarse de varias maneras.
Según el estado de tensión, las formas de fatiga incluyen la fatiga por flexión, la fatiga por torsión, la fatiga por tracción y compresión, la fatiga por contacto y la fatiga compuesta.
En función del nivel de tensión y de la vida de fractura, la fatiga puede clasificarse a su vez en fatiga de ciclo alto y fatiga de ciclo bajo.
Fuente de fatiga, zona de crecimiento de la grieta de fatiga y zona de fractura transitoria.
σ-1 (resistencia a la fatiga) representa la resistencia a la fatiga de vida infinita de las probetas lisas, que es adecuada para el diseño y la verificación tradicionales de la resistencia a la fatiga;
ΔKth (valor umbral de crecimiento de la grieta de fatiga) representa el rendimiento de fatiga de vida infinita de la muestra de grietas, que es adecuado para el diseño y la comprobación de la resistencia a la fatiga de las piezas agrietadas.
Desgaste por adherencia, desgaste por abrasión, desgaste por corrosión y desgaste por fatiga por picaduras (fatiga por contacto).
Desgaste por adherencia: La superficie de desgaste se caracteriza por costras de diferentes tamaños en la superficie de las piezas.
Desgaste abrasivo: Ranura formada por un arañazo o surco evidente en la superficie de fricción.
Fatiga por contacto: hay muchas picaduras (pockmarks) en la superficie de contacto, algunas de las cuales son profundas, y hay rastros de líneas de crecimiento de grietas por fatiga en la parte inferior.
Correcto. Porque el desgaste es inversamente proporcional a la dureza.
La tensión residual de compresión de la capa superficial aumenta mientras que la superficie resistencia y dureza aumentan.
Temperatura específica aproximada: T/Tm
Fluencia: Se refiere a la deformación plástica gradual de un material bajo la influencia de una temperatura y carga constantes durante un periodo de tiempo prolongado.
Resistencia: Este término se refiere a la tensión máxima que un material puede soportar sin experimentar fractura por fluencia, bajo una temperatura específica y dentro de un marco de tiempo designado.
Límite de fluencia: Representa la resistencia de un material a la deformación por fluencia a alta temperatura.
Estabilidad de relajación: El término utilizado para describir la capacidad de un material para resistir la relajación de tensiones se denomina estabilidad de relajación.
Los principales mecanismos de deformación por fluencia en los materiales incluyen el deslizamiento por dislocación, la difusión atómica y el deslizamiento en los límites de grano.
En el caso de los materiales poliméricos, el estiramiento de la cadena molecular bajo una fuerza externa también es un factor que contribuye a la fluencia.
La fractura intercristalina es una forma común de fractura por fluencia, especialmente a altas temperaturas y bajos niveles de tensión. Esto se debe a que la resistencia de los granos policristalinos y de los límites de grano disminuye con la temperatura, pero esta última disminuye más rápidamente, lo que da lugar a una menor resistencia de los límites de grano en relación con la resistencia de los granos a altas temperaturas.
Existen dos modelos para explicar la fractura del límite de grano: el modelo de deslizamiento del límite de grano y concentración de tensiones, y el modelo de agregación de vacantes.
El mecanismo de deformación plástica de los metales se basa en el deslizamiento y la macla.
El mecanismo de deformación por fluencia de los metales se basa principalmente en el deslizamiento por dislocación, la fluencia por difusión y el deslizamiento en los límites de grano.
A altas temperaturas, la temperatura elevada proporciona activación térmica para los átomos y las vacantes, permitiendo que las dislocaciones se muevan y sigan causando deformación por fluencia.
Bajo la influencia de una fuerza externa, se genera un campo de tensión desigual dentro del cristal, lo que provoca diferencias de energía potencial entre los átomos y las vacantes. El resultado es una difusión direccional de alta energía potencial a baja energía potencial.
En el caso de los materiales sólidos, la capacidad calorífica no se ve afectada significativamente por la estructura del material.
En una transición de fase de primer orden, la curva de capacidad calorífica cambia bruscamente y tiene un valor infinito.
En una transformación de fase de segundo orden, el cambio se produce gradualmente en un intervalo de temperatura específico y da lugar a una capacidad calorífica máxima finita.
Los materiales amorfos tienen una baja conductividad térmica porque su estructura ordenada de corto alcance puede considerarse como un cristal con granos extremadamente pequeños.
Debido al pequeño tamaño del grano y a los numerosos límites de grano, los fonones se dispersan con facilidad, lo que provoca una reducción significativa de la conductividad térmica.
Bajo la acción de un campo magnético, el movimiento orbital de los electrones en la materia produce diamagnetismo.
Determinación de la curva de solubilidad máxima en el diagrama de fases de la aleación:
Utilizando la regla de que las soluciones sólidas monofásicas presentan mayor paramagnetismo que las estructuras mixtas bifásicas y la relación lineal entre el paramagnetismo de la mezcla y la composición de la aleación, se puede determinar la solubilidad máxima de una aleación a una temperatura específica y la curva de solubilidad de la aleación.
Investigación de la descomposición de Aleaciones de aluminio:
Se estudiaron la transición orden-desorden, la transición isomerismo y la temperatura de recristalización para comprender mejor la descomposición de las aleaciones de aluminio.
Para que un metal muestre ferromagnetismo, no sólo es necesario que sus átomos tengan momentos magnéticos de espín distintos de cero, sino también que estos momentos se alineen espontáneamente y generen magnetización espontánea.
Los materiales magnéticos blandos tienen un bucle de histéresis estrecho y se caracterizan por una alta conductividad magnética y una Hc baja. Por el contrario, los materiales magnéticos duros tienen un bucle de histéresis grueso, alta Hc, Br y (BH)m.
En un metal, el campo eléctrico creado por los iones positivos es uniforme y no hay interacción entre los electrones de valencia y los iones. Este campo se considera una propiedad de todo el metal y permite el libre movimiento de los electrones por todo el metal.
Según la teoría cuántica de los electrones libres, los electrones internos de cada átomo del metal conservan el estado energético de un único átomo, mientras que los electrones de valencia tienen estados energéticos diferentes debido a la cuantización y presentan niveles energéticos distintos.
La teoría de la banda de energía también reconoce que los electrones de valencia de los metales están compartidos y cuantizados en energía, pero sugiere que el campo de potencial creado por los iones en los metales no es uniforme, sino que cambia periódicamente.
El aumento de la temperatura intensifica la vibración de los iones y aumenta la amplitud de la vibración térmica, lo que provoca un aumento del desorden atómico, una reducción del movimiento de los electrones y un aumento de la probabilidad de dispersión. Estos factores provocan un aumento de la resistividad.
En los semiconductores, la conducción es impulsada principalmente por electrones y huecos. Un aumento de la temperatura incrementa la energía cinética de los electrones, lo que provoca un aumento del número de electrones y huecos libres en el cristal y, por tanto, un aumento de la conductividad y una disminución de la resistencia.
(1) Temperatura crítica de transición Tc
(2) Campo magnético crítico Hc
(3) Densidad de corriente crítica Jc
El cambio de microestructura de metales y aleaciones se estudia midiendo el cambio de resistividad.
(1) Medir la curva de solubilidad de la solución sólida
(2) Medir la temperatura de transformación en la aleación con memoria de forma.
Efecto térmico, efecto fotosensible, efecto sensible a la presión (sensible a la tensión y sensible a la presión), efecto sensible magnético (efecto Hall y efecto de magnetorresistencia), etc.
Avería eléctrica, avería térmica y avería química.
Propiedades ópticas lineales: Cuando la luz de una misma frecuencia incide sobre un medio transparente que no absorbe la luz, su frecuencia no cambia. Cuando la luz de diferentes frecuencias incide al mismo tiempo en el medio, no hay interacción entre las ondas luminosas y no se produce ninguna frecuencia nueva.
Cuando dos haces de luz se cruzan, si son coherentes se produce interferencia. Si son incoherentes, sólo se combinará la intensidad de la luz, según el principio de superposición lineal.
Otras propiedades ópticas son la refracción, la dispersión, la reflexión, la absorción y la dispersión.
No es práctico utilizar metales para la óptica de luz visible porque absorben fuertemente la luz visible. Esto se debe a que los electrones de valencia de los metales ocupan una banda incompleta y, tras absorber fotones, se encuentran en un estado excitado. Pueden transferir energía mediante colisiones y producir calor, pero no pasan a la banda de conducción.
La luz incidente es intensa;
Requisitos de simetría de los cristales;
Igualación de fases.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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