En aquest apartat ens referim als materials que es troben en estat sòlid a temperatura ambient les propietats mecàniques descriuen el comportament dels materials davant l’aplicació de forces externes. Aquestes forces suposen unes altres internes, anomenades forces de cohesió que mantenen units els àtoms que son responsables del se estat sòlid.
Si les forces externes son molt inferior a les de cohesió interna, el material resistirà sense problemes y pràcticament no es deformaren canvi, si les forces externes superen les internes, el material es deformarà o fins y tot es trencarà. Cada material te un comportament diferent i peculiar quan li son aplicades forces externes, necessitem doncs, conèixer les propietats mecàniques del materials, per poder triar el mes adequat per cada aplicació.
Per conèixer i mesurar les seves propietats mecàniques, els materials se sotmeten a unes proves de laboratori anomenades assaigs.
Resistència mecànicaLa resistència mecànica es la capacitat que te un material per suportar esforços sense deformar-se o trencar-se.
Diferents esforços depenent de la forma d’aplicar-los:
- Tracció: estirar el material
- Compressió: cal tenir pressent que de vegades segons la forma del material un esforç de compressió pot produir un corbament, enlloc d’un aixafament. Aquest fenomen rep el nom de vinclament i es dona en materials esvelts, amb aquells que son molt llargs en comparació amb la seva secció transversal.
- Flexió es l’esforç de quan intentem doblegar (els esforços de flexió també es poden considerar com la combinació d’una tracció y d’una compressió)
- Torsió: quan intentem retorçar un material.
- Cisallament: quan intentem tallar el material, per exemple: les cordes dels cables o les cadenes només poden suportar esforços de tracció. El formigó suporta molt be la compressió però poc la tracció i les bigues dels edificis suporten molt be la flexió. Els arbres de transmissió de les màquines i motors suporten molt bé els esforços de torsió.
La forma es un altre aspecte que influeix en la resistència mecànica. Segons sigui el tipus d’esforç que s’apliqui hi ha formes me adequades que altres per suportar-les.
Models de deformació y comportament mecànicQuan un material es deformat per l’aplicació d’un esforç la deformació pot ser temporal o permanent, si es temporal (el material torna a la seva forma original un cop retirat l’esforç) parlem de deformació elàstica, en canvi si es permanent (es manté la deformació una vegada retirat l’esforç) es diu deformació plàstica
Hi ha materials que es trenquen sense experimentar, pràcticament, cap deformació prèvia y es diu que tenen un comportament fràgil. Hi també n’hi ha alguns materials que es deformen ostensiblement abans de trencar-se, i es diu que tenen un comportament dúctil.
Assaig de traccióL’assaig de tracció es una de les proves de laboratori mes utilitzades i que mes informació proporciona sobre les propietats mecàniques dels materials. L’assaig de tracció d’un material consisteix a sotmetre a una proveta normalitzada un esforç accial de tracció creixent fins que es produeixi el trencament de la proveta. Aquest assaig mesura la resistència d’un material a una força estàtica o aplicada lentament.
Esforç unitari:
L'esforç unitari o simplement esforç, es la relació entre la força F aplicada a un material y la secció A sobre la qual s’aplica, es a dir la força aplicada per unitat de secció. Les unitats d’esforç unitari son similar a les de la pressió : força partit per superfície
1Pa = 1N/m2
1MPa = 1N / mm2
Allargament unitari:
Diagrama de tracció
S’utilitza molt per expressar les característiques mecàniques dels materials i es realitza aparti dels assaigs de tracció. Es presenten els esforços unitaris a l’eix de les coordenades i els allargaments unitaris a l’eix de les abscisses. Hi ha zones i punts importants d’aquest diagrama que cal explicar:
Zona elàstica de la O a la A en aquesta zona les deformacions són de tipus elàstic també s’anomena entre els esforços i els allargaments. Es una línia recta i al extrem superior es troba el límit de proporcionalitat.
El valor del mòdul elàstic o rigidesa es pot interpretar com la rigidesa del material. Com més gran, més rígid es el material i, per tant menor es la deformació elàstica produïda quan s’aplica un esforç.
Zona plàstica (A-E):
Límit elàstic (A-B): a partir del punt A comencen les deformacions permanents. El punt B se situa al límit elàstic que es l’esforç unitari màxim que pot suportar un material sense experimentar cap deformació permanent. Els elements de maquines i d’estructures es dissenyen amb unes dimensions que ens permetin treballar per sota del seu límit elàstic, per tal d’evitar deformacions perilloses.
L’esforç unitari màxim que s’utilitza en el disseny d’una peça es coneix com tensió màxima de treball (Ot) aquesta tensió es calcula dividint el límit elàstic per un valor anomenat coeficient de seguretat. Com més gran sigui el coeficient de seguretat més segura serà la peça. Normalment el coeficient de seguretat esta comprés entre 1, 2, 4.
Fluència (BC) i enduriment (CD): en el tram que va des de el límit elàstic, que es just el punt on comença el material a deformar-se. El material s’allarga sense gairebé sense incrementar l’esforç i per això es diu que flueix.
En el tram entre els punts C i D l’enduriment del material, provocat per la deformació, fa que calgui augmentar l’esforç per continuar deformant el material.
En aquests trams les deformacions sempre són permanents, els materials fràgils pràcticament no presenten zona plàstica i passen directament de la zona elàstica al trencament.
Estricció i trencament (DE): quan s’arriba al punt D comença el trencament de la proveta. L’esforç al punt D es coneix com esforç de trencament (Or). És l’esforç màxim que pot suportar el material abans de trencar-se.
A mesura que s’aprima la proveta, l’esforç necessari per trencar-se disminueix i la corba decreix, fins que el punt E, la proveta queda dividida en dos trossos.
A l’assaig de tracció, l’allargament es una deformació del material.
Un cop trencada la proveta s’uneixen els dos trossos i es mesura la distancia entre les marques calibratge
L’allargament s’expressa en percentatge i s’expressa de la manera següent:
El percentatge d’allargament es un valor que s’utilitza per mesurar la ductivilitat dels materials. Com més dúctil es un material, més gran es aquest valor
Característiques mecàniques d’alguns materials:
Podem dir que els valors de E (és el mòdul elàstic) ens indiquen la rigidesa els de sE ens indiquen l’elasticitat, els de OR que és l’esforç de trencament, ens indica la resistència mecànica, i el e ens indica la ductivilitat/plasticitat dels materials.
Característiques mecàniques d’alguns materials: per altra banda, cal recordar que la densitat es una característica pròpia de cada material, que relaciona la massa d’un cos determinat amb el seu volum.
La duresa: El grafè es el material més dur que es coneix i el talc es el mineral més tou. La duresa es la resistència o oposició que presenta un material per ser ratllat o penetrat per un altre material.
La duresa es deguda a forces de cohesió existents entre els àtoms del material. Com més fortes siguin aquestes forces mes dur serà el material.
Per comparar i mesurar la duresa s’utilitzen diferents tipus d’assaigs.
La majoria d’aquests assaig consisteixen a forçar la penetració d’un objecte de material molt dur sobre el material assajat. Com més penetració s’aconsegueixi, aplicant la mateixa força, més tou serà el material que s’està estudiant. Un dels mètodes més utilitzats per mesurar la duresa dels metalls es l’assaig de Brinell
Assaig de duresa de Brinell: utilitza un penetrador de material molt dur en forma de esfera que es situa damunt de la mostra de material que s’ha d’assajar. S’aplica una carrega d’amunt de l’esfera durant un temps. Desprès es retiren la carrega i l’esfera i es mesura el diàmetre de la marca que s’ha produït sobre la mostra o proveta.
El grau de duresa, que s’anomena duresa de Brinell, s’obté a partir de l’expressió:
Per obtenir el valor de la superfície de la marca s’opera segons la següent expressió:
D1 = diàmetre de l’esfera
D2 = diàmetre de la marca deixada a la proveta
Els assaig de duresa es fan amb maquines anomenades durometres.
Per als materials tous s’apliquen carregues més petites i per a provetes primes s’utilitzen penetradors de diàmetre menor. Tot plegat s’indica de la manera següent: es XX HBW (D/C/T)
D = diàmetre del penetrador
C = constant per la força
T = temps que estem aplicant la força amb el penetrador.
Diferencia entre duresa i resistència de tracció.
En un mateix material son proporcionals a les forces de cohesió cada material te un valor que expressa aquesta proporcionalitat. Per exemple en els acers el valor es de 3,45.
Ens permet obtenir valors molt aproximats sense realitzar mes d’un assaig costos.
La tenacitat es defineix com la capacitat de resistència al xoc.
Els materials tenaços són capaços d’absorbir molta energia cinètica en un xoc i transformar-la en deformació plàstica o elàstica, i evitar d’aquesta manera el trencament.
Normalment la fragilitat esta lligada a la duresa: els materials durs acostumen a ser fràgils. La fragilitat es la manca de tenacitat.
La tenacitat es mesura per: bona resiliència, valor elevat d’allargament i bona resistència a la tracció.
Assaig de resiliència es coneix amb el no de resiliència l’energia necessària per trencar un material amb un sol cop. L’assaig de resiliència es denomina també assaig de resistència al xoc.
La resiliència es directament proporcional a la tenacitat del material. L’assaig de Charpy es realitza en una màquina que incorpora un pèndol amb una massa de 22 Kg situada al seu extrem. A la vertical del punt de gir del pèndol hi ha l’enclusa on es fixa la proveta. En el moment de realitzar l’assaig, es deixa caure el pèndol de la posició inicial una alçaria fixa H. Un cop impactar a la proveta aquesta es trenc, i el pèndol continua el seu recorregut. L’alcaria final Hl assolida pel pèndol a la posició final serà inferior a la inicial a causa de la energia consumida en el trencament de la proveta. La diferencia d’alçaries H – Hl es directament proporcional a la resiliència.
Les provetes tenen mecanitzada una entalla (muesca), que te forma de V que permet que el trencament es produeixi en el punt desitjat. La forma i les dimensions de la proveta estan normalitzades. El tamany de la proveta es 10x10mm i la profunditat de l’entalla es de 2mm.
Els valors de resiliència K es donen un cop dividida l’energia cinètica perduda al xoc per la secció de material en el punt de trencament, així la resiliència no depèn del gruix de material.
Assaig de fatigaEls esforços de fatiga son esforços estàtics i dinàmics combinats, que s’apliquen repetidament sobre el material fins que es trenquen.
- Tipus de tracció-compressió
- Flexió (flexionar-lo de forma continua).
- Torsió
L’assaig de fatiga representa les condicions de treball reals dels materials.
El mètode per representar els resultats de la fatiga es la corba S-N o diagrama de Wöhler. A L’eix de les absises es representa el nombre de cicles N que dura la proveta fins a la seva ruptura, i a l’eix de les ordenades s’expressa l’amplitud de l’esforç aplicat S. A la corba S-N es poden definir dos valors importants: la resistència a la fatiga (S) es el valor de l’amplitud de l’esforç que provoca el trencament després d’un numero de cicles. El següent valor important es la vida de la fatiga (Nf) es el nombre de cicles que pot soportar un material per una determinada amplitud de l’esforç aplicat.
Hi ha dos comportaments dels materials davant de la fatiga: aquells que més tard o més d’hora un determinat esforç, acaben trencant-se. I després estan aquells que si no superant un determinat valor d’amplitud d’esforç, no es trenquen per molts cicles que es facin. Per tant tenen límit de fatiga (titani i acers).
Límit de fatiga: es el valor màxim d’amplitud d’esforç que no produeix trencament quan s’aplica un nombre infinit de cicles.
El trencament per fatiga s’inicia sempre a la superfície dels materials.
El disseny d’una peça pot influir en les seves característiques de fatiga. per això, un material altament resistent a la fatiga pot reduir la seva resistència si el disseny no es l’adequat.
Per augmentar la resistència a la fatiga en el disseny de peces s’ha de tenir en compte: evitar els canvis bruscos de secció, forats, esquerdes. Evitar les rugositats a la superfície. Una superfície llisa i polida augmenta la resistència a la fatiga. Evitar l’atac químic dels ambients corrosius.
Aliatges (+coure, alumini...) = no tenen límit de fatiga, es a dir, sempre s’acaben trencant.
Assaig no destructiu o de defectesS’apliquen a peces ja fabricades perquè es vol comprovar que no presentin defectes interns (esquerdes, porus...). Que poden alterar les resistències mecàniques i provocar accidents.
Aquests defectes ocults poden estar produïts per:
• Errors en el procés d’elaboració de la peça (emmotllament, extrusió...).
• Errors en el procés de mecanitzat.
• Defectes de unió a les soldadures.
• Defectes en els tractaments tèrmics.
• Defectes en la estructura cristal•lina del material.
Aquests defectes fan que l’estructura interna d’un material deixi de ser homogènia i tingui una estructura interna alterada.
Els mes importants son els magnètics, els de raig x i raig gamma i els per ultrasons.
Assaig magnèticConsisteixen en la aplicació d’un camp magnètic a la peça que es vol assajar. Si aquesta no te defectes tindrà una estructura homogènia i la seva permeabilitat magnètica serà costant. La permeabilitat magnètica es una característica pròpia de cada material, indica la seva capacitat de concentrar o dispersar les línies de força d’un camp magnètic. Es a dir si hi ha defectes hi haurà desviació en les línies de força del camp magnètic produïdes per la variació de la permeabilitat magnètica. Aquest assaig nomes son aplicables a materials ferromagnètics es a dir bàsicament a materials fèrrics: acers i fundició.
Procediments amb magnetoscopi:
1. S’aplica un camp d’alta intensitat a la peça.
2. El defecte es detecta quan s’empolvora sobre la peça algun pols amb
propietats magnètiques (pols de ferro).
Assaig per raig X i raig gammaS’utilitza quan tenim un material no ferromagnètic o també peces molt gruixudes, en les quals el defecte pot estar molt allunyat de la superfície. Una solució seria la utilització de raigs X o gamma. Aquest assaig consisteix en llençar una radiació de raig X o gamma traves de la peça que es vol analitzar, que desprès de travessar-la impressiona una placa fotogràfica per obtenir una radiografia.
Com cada material absorbeix la radiació de manera diferent, per tant tenen un grau d’absorció diferent, així detectem els defectes. Si la peça no te defectes, la placa quedarà uniformement impressionada, en canvi si hi ha defectes en la placa hi hauran algunes zones amb més intensitat que unes altres perquè la radiació serà absorbida amb més o menys intensitat.
Assaig per ultrasonsEs una tècnica molt semblant a les utilitzades a les ecografies. Els ultrasons son ones sonores de freqüència superior a l’audible pels humans (20000Hz). Les ones ultrasonores es reflecteixen i es dispersen davant canvis en el medi de propagació ( se sol aprofitar especialment la reflexió per detectar els defectes).
Una de les formes habituals d’aquests assaigs en situar l’emissor i el receptor en las mateixa cara de peça. L’emissor envia impulsos de curta durada i quan arriben al final de la peça son reflectits i captats pel detector. Si no hi ha defectes,, a la pantalla obtenim dos pics: el senyal de l’emissor i la final de la peca, si hi ha defectes obtenim mes pics (part del senyal es reflecteix).
