Propiedades Mecánicas de Materiales: Fórmulas y Conceptos Clave

Fórmulas y Conceptos Clave sobre las Propiedades Mecánicas de los Materiales

1. Deformación y Tensión

• Deformación longitudinal (ε_long): ΔL/L_o
• Deformación lateral (ε_lat): Δd/d_o
• Módulo de Young (E): σ/ε_long
• Tensión (σ): E * ε_long
• Coeficiente de Poisson (γ): ε_lat/ε_long
• Factor de seguridad (FS):
  • 1,2 < FS < 4,0
  • FS > 4,0
• Tensión de trabajo (σ_w): σ_el/N
• Ductilidad: ΔL/L_o
• Resiliencia: σ_el²/2E
• Alargamiento porcentual (Al_%): (L_f - L_o/L_o) * 100

2. Ciclos de Tensión

• Tensión promedio: (σ_max + σ_min) / 2
• Intervalo de tensiones: σ_max - σ_min
• Amplitud: σ_r / 2
• Cociente de tensiones: σ_min / σ_max

3. Mecánica de la Fractura

• Grieta interna: 2 * Grieta externa
• Tenacidad a la fractura (K_1c): Y * σ * √(π * a_c) (a_c = grietas externas)
• Condición para evitar la fractura: K_1c > K₁

4. Reducción de Área y Conceptos Clave

• Reducción de área porcentual (%t_f): (A_o - A_f / A_o) * 100

Consideraciones importantes:

• El material con mayor límite elástico es el más duro.
• El material con mayor deformación es el más dúctil.
• El material que soporta la mayor carga máxima es el más resistente.
• El material más tenaz es el que absorbe mayor energía antes de la rotura.
• El material más rígido es el que tiene mayor módulo de Young.
• El material con mayor módulo de resiliencia es el que tiene mayor área bajo la curva en la zona elástica.
• Un material con defectos es más resistente debido a que estos actúan como obstáculos a las dislocaciones.
• Es posible controlar la resistencia de un material metálico controlando la cantidad y el tipo de imperfecciones.

5. Dislocaciones y Mecanismos de Endurecimiento

• Vector de Burger: Magnitud del desajuste en la estructura cristalina. También indica la dirección en que los átomos fueron desplazados.
• ¿Por qué se extiende la deformación plástica? Cuando hay una intensa deformación plástica, se generan pequeñas grietas y la propagación de las mismas puede llevar el material a la fractura.
• ¿Cómo se multiplican las dislocaciones? Se multiplican por el plano de corte producido, ya que tiende a expandir el movimiento de la dislocación a lo largo del plano de deslizamiento.
• Mecanismos de endurecimiento:
  • Reducción del tamaño de grano: Al reducir el tamaño de grano, aumenta el número de granos y, por lo tanto, el límite de grano, que actúa como barrera para las dislocaciones. El cambio de orientación de la dislocación al pasar de un grano a otro produce un desorden atómico dentro del límite de grano, lo que contribuye al endurecimiento.
  • Solución sólida: Añadiendo impurezas que distorsionan la estructura cristalina. A las dislocaciones les es más difícil moverse en las cercanías de estas distorsiones, aumentando la resistencia del material.
  • Deformación: Al someter un material a deformación, la densidad de dislocaciones aumenta. A medida que el material se satura con dislocaciones, se crea una resistencia a la formación de nuevas dislocaciones, lo que se manifiesta como resistencia a la deformación plástica.

6. Tipos de Materiales y Estructuras Cristalinas

• Tipos de materiales: Metales, cerámicos, polímeros y semiconductores.
• Diferencia entre material cristalino y amorfo: En un material cristalino, los átomos o iones se encuentran en una disposición que se repite en las tres dimensiones, mientras que un material amorfo es un sólido que no cristaliza en ningún sistema y no tiene forma ni estructura definida.
• Técnicas de hechurado: Laminación, extrusión, trefilado, forja, conformación de la chapa y moldeo (en arena, en coquilla y de precisión).
• Estructuras cristalinas más comunes: BCC (cúbica centrada en el cuerpo), FCC (cúbica centrada en las caras), HCP (hexagonal compacta).