Propietats mecàniques.

En aquest apartat ens referirem als materials que es troben en estat sòlid a temperatura ambient. Les propietats mecàniques descriuen el comportament dels materials davant de forces externes. Aquestes forces suposen a una altres internes anomenades forces de cohesió, que mantenen units els àtoms dels materials i que són les responsables del seu estat sòlid. Si les forces externes són molt inferiors a les de cohesió interna el material resistirà sense problemes i pràcticament no es deformarà. En canvi, si les forces externes superen les internes el material es deformarà o fins i tot es trencarà.
Cada material té un comportament diferent i peculiar quan li son aplicades forces externes. Necessitem doncs conèixer les propietats mecàniques dels materials per poder triar el més adequat per a cada aplicació.
Per conèixer i mesurar les seves propietats mecàniques, els materials se sotmeten a unes proves de laboratori anomenades assaigs.

Resistència mecànica i assaig d’atracció
La resistència mecànica és la capacitat que té un material per suportar esforços sense deformar-se o trencar-se.
Diferents esforços dependent de la forma d’aplicar-los:

* Tracció -

* Compressió -

* Flexió
És el esforç de quan intentem doblegar (els esforços de flexió també es poden considerar com la combinació d’una tracció i d’una compressió)

* Torsió
Quan intentem retorçar

* Cisallament
Intent de tallar el material.

Les cordes, els cables o les cadenes només poden suportar esforços de tensió, el formigó suporta molt bé la compressió però molt poc la torsió. Les bigues dels edificis suporten molt bé la flexió. Els arbres de transmissió de màquines i motors suporten molt bé els esforços de torsió.

La forma és un altre aspecte que influeix en al resistència mecànica. Segons sigui el tipus d’esforç que s’apliqui hi ha formes més adequades que d’altres per suportar-lo.

Seccions.

ESFORÇ APLICAT ; FORMA MÉS ADECUADA PER SUPORTAR-LO
Tracció ; Secció elevada
Compressió ; Secció elevada i poca longitud
Flexió ; Secció elevada, cantell gran i poca longitud.
Torsió ; Secció elevada
Cisallament ; Secció elevada

Models de deformació i comportament mecànic.
Quan 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. Si es permanent (es manté la deformació una vegada retirat l’esforç) parlem de deformació plàstica.
Hi han materials que es trenquen sense experimentar, pràcticament, cap deformació prèvia, i es diu que tenen un comportament fràgil. (ceràmica i vidre)
I també ni hi han alguns materials que es deformen ostensiblement abans de trencar-se, i es diu que tenen un comportament dúctil. (coure i alumini)

Assaig de tracció.
L’assaig de tracció és una de les proves de laboratori més utilitzades i que més informació proporciona sobre les propietat mecàniques dels materials. L’assaig de tracció d’un material consisteix a sotmetre a una proveta normalitzada un esforç accial d’atracció creixent fins que es produeix el tancament de la proveta. Aquesta assaig mesura la resistència d’un material a una força estàtica o aplicada lentament.


• Esforç unitari

 = F/A N/mm2 (MPa)

L’esforç unitari o simplement esforç, és la relació entre la força (F) aplicada a un material i la secció A sobre la qual s’aplica. Es a dir, la força aplicada per unitat de secció. Les unitats d’esforç unitari són similars a les de la pressió: F/superfície.
1 Pa= 1 N/m2
1 MPa = 1 N/mm2


• Allargament unitari

 = L/L0 x100= __ %

Allargament unitari quan s’aplica un esforç de tracció prou intens a un objecte. Aquests s’allarga incrementant la seva longitud. És la relació entre l’allargament d’una peça i la llargària inicial abans d’aplicar l’esforç, es a dir l’allargament per unitat de longitud.

Diagrama de tracció.
S’utilitza molt per expressar les característiques mecàniques dels materials i es realitza a partir dels assaigs de tracció. Es presenten els esforços unitaris a l’eix de les coordenades i els allargaments unitaris a l’eix de les alesices. 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 zona proporcional ja que hi ha proporcionalitat entre els esforços i els allargaments. És una línia recta i a l’extrem A es troba el límit de proporcionalitat.

 rigidesa o mòdul elàstic.

E= p / 

El valor del mòdul elàstic o rigidesa es pot interpretar com la rigidesa del material. Com més gran, més rígid és el material i per tant menor es la deformació elàstica produïda quan s’aplica un esforç.

Zona plàstica de la A a la E.

El límit elàstic (AB)
A partir del punt A comencen les deformacions permanents. El punt B se situa al límit elàstic [e] que és l’esforç unitari màxim que pot suportar un material sense experimentar cap deformació permanent. Els elements de màquines 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 a tensió màxima de treball. [t] aquesta tensió es calcula dividint el límit elàstic per un coeficient de seguretat. Com més gran sigui el coeficient de seguretat més segura serà la peça. Normalment el coeficient de seguretat està comprès entre 1, 2, 4.

Fluència i enduriment.- BC i CD
En el tram que va des del límit elàstic punt B fins el punt C, es produeix el que s’anomena fluència. El material s’allarga sense gairebé 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 a esforç de trencament. [r] 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 en el punt E, la proveta queda dividida en dos trossos.

Allargament
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 distància entre les marques de calibratge.
L’allargament s’expressa en forma de percentatge (%) i s’obté de la manera següent:

 %= Lf- Lo / Lo x100; on Lf-Lo= L


El % d’allargament es un valor que s’utilitza per mesurar la ductilitat dels materials. Com més dúctil es una material més gran és aquest valor.

Característiques mecàniques d’alguns materials.
Podem dir que els valors de E(mòdul elàstic) ens indiquen la rigidesa. Els de oe (límit elàstic) ens indiquen l’elasticitat. Els de or (esforç de trencament) ens indiquen la resistència mecànica. I els e (allargament) ens indiquen la ductilitat- elasticitat 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.
r = m / v (Kg/m3)
G(pes) = r • v • g

La duresa
El grafè és el material més dur que es coneix i el talc és el mineral més tou.
La duresa és la resistència o oposició que presenta un material a ser ratllat o penetrat per un altre material.
La duresa es deguda a forces de cohesió assistents entre els àtoms del material. Com més fortes siguin aquestes forces més dur serà el material.
Per comparar i mesurar la duresa s’utilitzen diferents tipus d’assaigs. La majoria d’aquests assaigs 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 és l’assaig de Brinell.

L’assaig de Brinell
Utilitza un penetrador de material molt dur en forma d’esfera que se situa damunt de la mostra de material que s’ha d’assajar. S’aplica una càrrega damunt l’esfera durant un temps. Després 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 HBW= 0.102 • F/A
Els assaigs de duresa es fan amb màquines anomenades durometres.
Per als material tous s’apliquen càrregues més petites i per a provetes primes s’utilitzen penetradors de diàmetre menor. Tot plegat s’indiquen de la manera següent: xx HBW (D/C//t)

La tenacitat
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 està lligada a la duresa: els materials durs acostumen a ser fràgils.
La fragilitat és la manca de tenacitat de tenacitat.
La tenacitat es mesura per: ona resiliència, valor elevat d’allargament, i bona resistència a la tracció.

Assaig de resiliència
Es coneix amb el nom 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 és directament proporcional a la tenacitat del material.
L’assaig de charpy es realitza en una màquina que incorpora un pèndol amb una massa de 22kg 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 des de la posició inicial a una alçària fixa h. Un cop impactada la proveta aquesta es trenca i el pèndol continua el seu recorregut. L’alçaria final h’ assolida pel pèndol a la posició final serà inferior a la inicial a causa de l’energia consumida en el trencament de la proveta. La diferencia d’alçàries h – h’ es directament proporcional a la resiliència.
Les provetes tenen mecanitzada una entalla 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. Els valor de resiliència que 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 del material:

K= Ec/A


Assaig de fatiga
Els esforços de fatiga són esforços estàtics i dinàmics combinats que s’apliquen repetidament sobre el material fins que es trenca.
Tipus d’esforços de fatiga:
• De tracció-compresió
• De flexió
• De torsió

L’assaig de fatiga representa les condicions de treball reals del materials.

Corba S-N o diagrama de Wöhler
El mètode per representar els resultats d ela fatiga es la corba S-N o diagrama de Wöhler. Al eix de les abscisses es representa el nombre de cicles N que dura la proveta fins a al 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: resistència a la fatiga (S) –es el valor de l’amplitud de l’esforç que provoca el trencament després d’un número de cicles.- i la vida de la fatiga (Nf) –es el nombre de cicles que pot suportar un material per una determinada amplitud de l’esforç aplicat.-

Hi han dos comportaments dels materials davant la fatiga: aquells que més tard o més d’hora, a un determinat esforç, acabant trencant-se i aquells que si no superen 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: és 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 és 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.

Assaig no destructius o defectes
S’apliquen a peces ja fabricades perquè es vol comprovar que no presentin defectes interns (esquerdes, porus, etc) 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 d’unió a les soldadures
•Defectes en els tractaments tèrmics
•Defectes en l’estructura cristal•lina del material.

Els més importants són els magnètics, els de raigs X i raigs gamma i els per ultrasons.
Aquests defectes fan que l’estructura interna d’un material deixi de ser homogènia i tingui una estructura interna alterada.

Assaigs magnètics
Consisteixen en l’aplicació d’un camp magnètic a la peça que es vol assajar. Si aquesta no té defectes tindrà una estructura interna homogènia i la seva permeabilitat magnètica serà constant.
La permeabilitat magnètica és una característica pròpia de cada material i indica la seva capacitat de concentrar o dispersar les línies de força d’un camp magnètic. Es a dir, si hi ha defectes hi hauran desviacions en les línies de força del camp magnètic produïdes per la variació de la PM. Aquests assaigs només són habitables a materials ferromagnètics, és a dir, bàsicament a materials fèrrics i acers.

Procediments amb magnetoscopi

S’aplica un camp magnètic d’alta intensitat a la peça.
El defecte es detecta quan s’empolvora sobre la peça alguna pols amb propietats magnètiques (pols de ferro)



Assaigs per raig X i raig gamma
S’utilitzen quan tenim un material no ferromagnètic o també peces molts gruixudes, en les quals el defecte pot estar molt allunyat de la superfície. Una solució seria la utilització dels raig x o gamma que són molt penetrants.
Aquests assaig consisteix en llençar una radiació de raigs x o gamma a través de la peça que es vol analitzar, que després de travessar-la 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 té 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.

Assaigs per ultrasons.
És una tècnica molt semblant a les utilitzades a les ecografies. Els ultrasons son ones sonores de freqüència superior a l’audible pels humans. (20.000Hz)
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’aquest assaig consisteix en situar l’emissor i el receptor a la mateixa cara de la peça. L’emissor envia impulsos de curta durada i quan arriben al final de la peça, són reflectits (eco) i captats pel detector. Si no hi han defectes, a la pantalla obtenim dos pics: el senyal de l’emissor i final de la peça.
Si hi han defectes, obtenim més pics.