Embedded Files
Els materials, juntament amb l’energia, són els dos elements imprescindibles de tot procés industrial. En aplicar aquest procés cal tenir els coneixements tècnics i científics necessaris i disposar dels materials i de les eines adequades per treballar-los. Els materials són, doncs, un element imprescindible del procés industrial: no es poden construir objectes i aparells o fabricar cap mena de producte si no es disposa dels materials adequats i es coneixen bé les seves propietats.
En qualsevol procés industrial, com en qualsevol altre procés tecnològic, cal elaborar un projecte abans de dur-lo a terme. En aquest projecte és on es decideix com ha de ser el producte o aparell i el procés de transformació dels materials necessari per fabricar-lo. Per això, caldrà prendre una de les decisions més importants: triar els materials que seran utilitzats. A l’hora de prendre aquesta decisió intervenen molts factors diferents i, per tant, caldrà estudiar el problema sota diferents criteris de selecció de materials.
1. Classificació de les diferents propietats dels materials.
Classifiquem les diferents propietats dels materials en:
Propietats físiques
Propietats mecàniques
Propietats químiques
1.1. Propietats físiques
La densitat és la relació entre massa d'un material i el volum que ocupa. d = m/V (kg/m³) .
La densitat lineal és la massa per unitat de longitud del material, aquesta unitat és molt utilitzada en elements estructurals com les bigues. (kg/m)
La densitat superficial és la massa per unitat de superfície. (kg/m2)
La conductivitat elèctrica és la propietat que tenen els cossos de permetre el pas del corrent.
La resistència específica d’un material rep el nom de resistivitat (ρ) i es defineix com la resistència que ofereix al pas del corrent un conductor d’aquest material d’1 m de longitud i d’1 m2 de secció. Definim també conductància (G) com el valor invers de la resistivitat. (G=1/ρ).
La resistència elèctrica, R, d’un conductor és directament proporcional a la seva longitud, inversament proporcional a la seva secció, i depèn de la seva resistivitat, ρ.
Exemple:
La conductivitat tèrmica és la propietat que tenen els cossos de permetre la transmissió de la calor.
Totes aquestes condicions es poden representar amb l’expressió matemàtica següent:
Definim com a potència tèrmica (W) el quocient entre la calor que es tramet per un material i el temps que triga a propagar-se.
Exemple:
La dilatació és la variació relativa de les dimensions d’un material a causa d’un canvi de temperatura.
La dilatació lineal es calcula mitjançant l’expressió:
La dilatació tèrmica dels materials s’aprofita, entre d’altres, per a la mesura de temperatures: es poden calcular els increments de temperatura a partir de la mesura dels increments de llargària d’un element, anomenat sensor, del qual es coneix el coeficient de dilatació.
Alguns elements de control automàtic de temperatura (termòstats, termòmetres bimetàllics, etc.) basen el seu funcionament en la dilatació tèrmica. També s’ha de tenir present la dilatació a l’hora de realitzar construccions amb elements metàl·lics com ara ponts, vies de ferrocarril, edificis, etc., ja que els canvis de temperatura els poden sotmetre a grans tensions i poden provocar una deformació perillosa o, fins i tot, el trencament de l’estructura.
Exemple:
La densitat és la quantitat de massa de material per unitat de volum. S'expressa en kg/L , kg/dm3 o g/cm3.
El punt de fusió és la temperatura a la qual un material passa de l’estat sòlid a l’estat líquid.
La higroscopicitat és la propietat que tenen els materials d’absorbir humitat del medi.
1.2. Propietats mecàniques
La duresa és la propietat que tenen els materials d’oposar-se a ser ratllats o penetrats.
La tenacitat és la resistència al trencament que presenta un material quan se’l colpeja. La propietat contrària de la tenacitat és la fragilitat.
La fatiga és la resistència al trencament que presenta un material quan se’l sotmet a esforços repetits.
L’elasticitat és la propietat que tenen els materials de deformar-se quan suporten un esforç i tornar a la forma inicial quan el deixen de suportar.
La plasticitat és la propietat que tenen els materials de conservar les deformacions produïdes per l’acció d’un esforç quan el deixen de suportar. Tenim dos tipus de plasticitats:
La mal·leabilitat és la propietat que tenen els materials de deformar-se permanentment sota un esforç de compressió.
La ductilitat és la propietat que tenen els materials de deformar-se permanentment sota un esforç de tracció.
La resistència és la propietat que tenen els materials de suportar esforços sense trencar-se.
Les propietats de resistència, d'elasticitat i plasticitat estan molt relacionades amb l'esforç que pateix el material, per això és molt important tenir clar els diferents tipus d'esforç que un material pot patir:
Tracció: La tracció és l’esforç al qual està sotmesa una peça per l’acció de dues forces oposades que l’estiren. Un esforç d’aquesta mena augmenta sempre la longitud de la peça en la direcció de les forces i, si és prou intens, en redueix la secció transversal i, finalment, la trenca.
Compressió : La compressió és l’esforç al qual està sotmesa una peça per l’acció de dues forces oposades que l’aixafen. Un esforç d’aquesta mena redueix la longitud de la peça en la direcció de les forces i, si és prou intens, n’augmenta la secció transversal i, finalment, la trenca.
Flexió: La flexió és l’esforç al qual està sotmesa una peça per l’acció de forces que tendeixen a doblegar-la. Un esforç d’aquesta mena sempre fa que la peça es corbi i, si és prou intens, pot arribar a trencar-la.
Cisallament: El cisallament és l’esforç al qual està sotmesa una peça per l’acció de dues forces oposades que s’exerceixen sobre punts diferents però molt propers, de manera que tendeix a tallar la peça. Un esforç d’aquesta mena sempre produeix deformacions en la peça i, si és prou intens, pot arribar a trencar-la.
Torsió: La torsió és l’esforç al qual està sotmesa una peça per l’acció de dues forces que tendeixen a retorçar-la, a deformar-la entorn d’un eix. Un esforç d’aquesta mena sempre produeix deformacions en la peça i, si és prou intens, pot arribar a trencar-la.
1.3. Propietats químiques
Les propietats químiques tracten sobre el comportament d’un material en contacte amb altres substàncies.
Permeabilitat: La permeabilitat és la propietat que tenen els materials de deixar passar a través seu aigua o altres fluids.
Solubilitat: La solubilitat és la propietat que tenen els materials de mesclar-se de manera homogènia amb una altra substància, que actua com a dissolvent.
Combustibilitat: La combustibilitat és la propietat que tenen els materials de cremar.
2. Assaigs de materials
Els assaigs són uns procediments normalitzats per determinar o mesurar les propietats o defectes de productes i materials i la seva resposta sota unes determinades condicions de treball. La normalització és imprescindible per poder confrontar els resultats obtinguts per diferents laboratoris així com per aconseguir una repetibilitat de les proves.
La gamma d'assaigs que requereix la indústria és molt extensa i es poden agrupar per diferents conceptes:
Segons la rigorositat a l'hora de realitzar-lo:
Científics: Utilitzats per investigar les característiques dels nous materials. Es caracteritzen per la seva precisió i fidelitat.
Tècnics de control. Es realitzen durant el procés productiu. Acostumen a ser ràpid i senzills sense descuidar l'exactitud i la fidelitat.
Segons la forma:
Assaigs destructius. Quan els materials assajats queden alterats en la seva forma o acabat inicial. S'acostumen a fer-se sobre mostres de mides normalitzades anomenades provetes.
Assaigs no destructius Quan els materials assajats no queden alterats en la seva forma o acabat inicial.
Segons el mètode:
Assaigs químics. Permeten conèixer la composició química d'un material i el seu comportament davant agents químics.
Assaigs metal·logràfics. Permeten estudiar l'estructura interna dels materials, i detectar tractaments tèrmics o mecànics a què han estat sotmesos. Es realitza amb un microscopi metal·logràfic.
Assaigs físics i fisicó-químics. Permeten determinar propietats físiques (densitat, punt de fusió, conductivitat tèrmica i elèctrica, etc.), així com imperfeccions o defectes interns o externs.
Assaigs mecànics. Permeten determinar les característiques elàstiques i de resistència a esforços. Aquests assaigs poden ser de: tracció, compressió, flexió, torsió, cisallament, duresa, fatiga, resiliència, així com assaigs tecnològics de plegat, embotició, etc.
2.1. Assaig de tracció
L’assaig de tracció és una de les proves de laboratori més utilitzades i que més informació proporciona sobre les propietats mecàniques dels materials. Per tal que els valors obtinguts en aquests assaigs no depenguin de les dimensions de la peça que estem utilitzant, sinó només del seu material, s’utilitzen els conceptes d’esforç unitari i d’allargament unitari.
L’esforç unitari (σ) o simplement esforç o tensió, és la relació entre la força F aplicada a un material i la secció A sobre la qual s’aplica. L'esforç unitari es mesura en MPa.
L’allargament unitari (ε) és la relació entre l’allargament ΔL d’una peça i la llargària inicial L0 que tenia abans d’aplicar l’esforç de tracció. L'allargament unitari no te unitats, tot i que es pot expressar en tant per cent.
Realització de l'assaig
Els assaigs de tracció es porten a terme amb unes mostres de material amb unes formes i dimensions determinades anomenades provetes. Les provetes acostumen a ser de secció circular uniforme i eixamplades als extrems per poder-les fixar a la màquina universal d’assaigs o a un sistema hidràulic, que són els encarregats d’exercir l’esforç de tracció. Es construeixen totes iguals per poder comparar els resultats de provetes construïdes amb diversos materials.
Per poder conèixer les propietats mecàniques de cada material, sotmetem una proveta d'aquest a uns esforços de tracció, mitjançant els quals obtenim el diagrama de tracció, a on es representa la deformació unitària que pateix la proveta, per cada valor d'esforç de tracció unitari.
Màquina per a l’assaig de tracció
L'objectiu de representar l'esforç unitari respecte l'allargament unitari, i no fer servir directament força respecte deformació, és el de poder comparar el resultat del gràfic amb qualsevol peça d'aquest material de diferents gruixos, formes i longituds.
Hi ha zones i punts importants d’aquest diagrama que cal destacar:
Zona elàstica (O-A): En aquesta zona, les deformacions produïdes són del tipus elàstic (desapareixen quan es deixa d’aplicar l’esforç). També s’anomena zona proporcional, ja que hi ha proporcionalitat directa entre els esforços i les deformacions. Es caracteritza perquè és una línia recta (OA) i a l’extrem superior, al punt A, se situa el límit de proporcionalitat (σp). Com a conseqüència, en aquesta zona es compleix la llei de Hooke, i el pendent de la recta correspon al mòdul elàstic (E) del material:
El valor del mòdul elàstic es pot interpretar com la rigidesa del material. Com més gran és el mòdul elàstic, més rígid és el material i, per tant, menor és la deformació elàstica produïda quan hi apliquem un esforç.
Zona plàstica (A-E): A partir del punt A comencen les deformacions permanents. Al punt B se situa el límit elàstic, punt de deformació a partir del qual, la deformació passa de ser elàstica a ser plàstica. En teoria, el límit elàstic és l’esforç unitari màxim que pot suportar un material sense experimentar cap deformació permanent. A la pràctica, aquest valor és molt difícil d’obtenir i s’admet com a vàlid el valor de l’esforç que produeix una deformació permanent del 0,2% de la llargària calibrada, representat pel tram O-X .
Els elements de màquines i d’estructures es dissenyen amb unes dimensions que els 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 la tensió màxima de treball. Aquesta tensió es calcula dividint el límit elàstic per un valor anomenat coeficient de seguretat:
En el tram que va des del límit elàstic, punt B, i fins al 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 alguns materials, com l’acer, aquest tram és gairebé pla. En el tram entre els punts C i D, l’enduriment del material, provocat per la deformació, fa que calgui augmentar l’esforç o tensió per continuar deformant el material. En aquests trams, les deformacions sempre són permanents i com més dúctil sigui un material, més àmplia serà aquesta zona. En canvi, els materials fràgils pràcticament no presenten zona plàstica i passen directament de la zona elàstica al trencament.
Quan s’arriba al punt D, comença el trencament de la proveta, tot i que es disminueix l’esforç aplicat. L’esforç al punt D es coneix com a esforç de trencament (σr), i és l’esforç màxim que pot suportar el material abans de trencar-se.
Un altre aspecte important que cal considerar és l’allargament. A l’assaig de tracció, la deformació del material és sempre un allargament. Hi ha un valor particular d’aquest, però, que té una importància especial; es tracta del que experimenta la mostra just en el moment de trencar-se. 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:
El percentatge d’allargament és un valor que s’utilitza per mesurar la ductilitat dels metalls. Com més dúctil és un metall, més gran és aquest valor.
Tabulació dels resultats del diagrama de tracció:
Podem dir que els valors de E (mòdul elàstic) ens indiquen la rigidesa, els de σe (límit elàstic) l’elasticitat, els de σr (esforç de trencament) la resistència mecànica i els de ε (allargament) la plasticitat dels materials. Juntament amb la densitat del material, aquests valors determinen el comportament mecànic del material.
Exemple:
2.2. Assaig de duresa
La duresa és la resistència o oposició que presenta un material a ser ratllat o penetrat per un altre material.
La broca és una eina capaç de foradar perquè està feta d’un material més dur que el que ha de foradar. La llima pot polir metalls perquè és més dura que aquests. La duresa és deguda a les forces de cohesió existents 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 (el penetrador) sobre el material a assajar (la mostra o la proveta). Com més penetració s’aconsegueixi, aplicant la mateixa força, més tou serà el material que s’està estudiant.
Per a la realització d'aquests assaigs disposem de diferents mètodes, com l'assaig Brinell i l'assaig Rockwell, entre d'altres.
En el fons, tant els valors de duresa com els de resistència a la tracció indiquen el grau d’oposició que presenta un material a ser deformat plàsticament, ja sigui estirant-se, obrint un solc (ratlla) o un forat. Aquests dos valors, en un mateix material, són proporcionals a les forces de cohesió. És lògic pensar, doncs, que per a cada material existeixi un valor que expressi aquesta proporcionalitat. En el cas dels acers aquest valor és de 3,45:
σr(MPa)= 3,45 · HBW (relació vàlida únicament per a acers)
L’avantatge d’aquesta relació és evident: permet obtenir valors molt aproximats de resistència al trencament sense realitzar un assaig de tracció costós. L’assaig de duresa sempre és més senzill que no pas el de tracció.
2.3. 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, i ens defineix la tenacitat d'un material.
El valor de la resiliència obtingut a l’assaig és una mesura indirecta de la tenacitat dels materials. Com més alt sigui el valor de la resiliència, més tenaç serà el material assajat.
Per mesurar la resiliència fem servir l’assaig Charpy, que 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 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’alçària 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 diferència d’alçàries (h–h’) és directament proporcional a la resiliència.
1,375 J/mm2
2.4. Assaigs de fatiga
Mitjançant l’assaig de tracció i de duresa es pot observar el comportament dels materials quan són sotmesos a esforços constants, estàtics. A l’assaig de resiliència, en canvi, el material és sotmès a un esforç instantani i dinàmic. Els materials, a les seves aplicacions reals, normalment estan sotmesos a esforços estàtics i dinàmics combinats.
Els esforços que alternen el seu sentit d’aplicació (tracció-compressió, torsió, flexió) de manera repetitiva o cíclica en el temps, s’anomenen esforços de fatiga.
De vegades, una peça es trenca a conseqüència d’un esforç menor del seu límit elàstic, però que ha estat aplicat repetidament i de manera fluctuant o alternativa.L’assaig de fatiga intenta reproduir les condicions de treball reals dels materials. Un dels més usuals consisteix a sotmetre la proveta a esforços de flexió rotativa (combinació de torsió i flexió) seguint un cicle que es va repetint en el temps.
Els resultats de l’assaig es representen en un gràfic que es coneix per corba S-N o diagrama de Wöhler, a on representem a l’eix de les ordenades l’amplitud de l’esforç aplicat S (el valor mitjà entre el màxim i el mínim) i a l’eix de les abscisses (en escala logarítmica) el nombre de cicles N a què ha estat sotmesa la proveta fins al seu trencament.
A la vista de la corba S-N es poden definir dos valors importants: La resistència a la fatiga és el valor de l’amplitud de l’esforç que provoca el trencament del material després d’un nombre determinat de cicles. Si d’un material determinat ens donen el valor de 225 N/mm2 com a resistència a la fatiga per a 107 cicles, hem d’entendre que si sotmetem el material a esforços alternatius l’amplitud dels quals no supera els 225 N/mm2, resistirà sense trencar-se un mínim de 107 cicles de treball.
La vida a la fatiga és el nombre de cicles de treball que pot suportar un material per a una determinada amplitud de l’esforç aplicat i es representa per Nf. Es distingeixen dos comportaments diferents dels materials davant la fatiga: aquells que, més tard o més d’hora, sempre acaben trencant-se i aquells que, si no superem un determinat valor de l’amplitud de l’esforç aplicat, no es trenquen per molts cicles de treball que els apliquem. Aquests últims materials posseeixen un valor anomenat límit de fatiga que es defineix com el màxim valor de l’amplitud de l’esforç a aplicar perquè no es trenqui en un nombre infinit de cicles. Exemples de materials amb límit de fatiga són els aliatges de titani i alguns aliatges fèrrics. Els límits de fatiga d’alguns acers acostumen a tenir valors entre el 35 i el 60% del valor de la resistència a la tracció. La major part dels aliatges de coure i alumini no tenen límit de fatiga i, per tant, sempre es trenquen quan s’augmenta el nombre de cicles de treball. El trencament per fatiga s’inicia sempre a la superfície dels materials.
2.5. Assaigs no destructius o de defectes
Quan es realitza el disseny d’una peça de l’estructura d’un avió, es calculen teòricament els esforços a què estarà sotmesa i es dimensiona utilitzant un coeficient de seguretat prou ampli. Per fer els càlculs s’utilitzen uns valors de resistència mecànica obtinguts a partir d’assaigs destructius sobre mostres (provetes) del material utilitzat. També a la indústria on s’ha d’elaborar la peça es fan assaigs a la recepció dels materials per determinar-ne la qualitat. Però, tot i així, pot passar que un cop fabricada i muntada a l’avió, la peça es trenqui sense avís previ i provoqui un accident greu. El
motiu és la presència d’un defecte intern. De vegades, aquest defecte pot ser produït involuntàriament en el procés de fabricació. D’altres vegades, pot ser provocat per la fatiga a la qual està sotmesa la peça en la seva posició normal de treball.
Els assaigs no destructius no deixen marques i s’apliquen a peces elaborades per determinar la presència (o absència) de defectes interns no observables a simple vista. És per això que aquests assaigs també s’anomenen de defectes. La presència d’aquests defectes fa que els materials tinguin resistències mecàniques molt inferiors a les teòriques i, per tant, poden ser la causa de greus accidents. Els defectes interns poden ser, entre d’altres: fissures, esquerdes, porus, inclusions (escòries), etc. En definitiva, qualsevol alteració greu de l’estructura interna d’un material
que fa que aquesta deixi de ser homogènia.
Els assaigs no destructius més importants són els magnètics, els de raigs X i raigs gamma i els assaigs per ultrasons.
Més vídeos relacionats:
3. Els aliatges
La temperatura de fusió dels metalls purs és fixa, quan el metall en estat líquid s'està refredant la seva temperatura es manté constant durant el procés de solidificació, i després continua refredant-se fins a arribar a la temperatura ambient. La temperatura que té durant el procés de solidificació és el punt de fusió d'aquest metall.
No passa el mateix amb els aliatges, la seva temperatura de fusió no és fixa sinó que depèn de les proporcions de cada element del qual està format. Els aliatges no tenen un sol punt de fusió, per això es representa amb un interval.
El procés de fusió dels aliatges formats per dos elements (anomenats aliatges binaris) es representa mitjançant el diagrama d'equilibri, el qual relaciona el punt de fusió amb la proporció dels diferents components de la mescla.
Exemple: Diagrama de fases Cu+Ni (Cuproníquel)
Es poden diferenciar tres àrees en el diagrama:
Àrea de fase líquida: Per damunt de la línia de líquid, tots els aliatges estarà en fase líquida
Àrea de fase líquida + sòlida: Entre la línia de líquid i la de sòlid, una part dels aliatges es trobarà en fase líquida i l'altra part en fase sòlida.
Àrea de fase sòlida: Sota la línia de sòlid, l'aliatge estarà completament en fase sòlida.
Hi ha aliatges que els seus components són solubles en fase líquida, però insolubles en fase sòlida, llavors tenen un diagrama d'equilibri molt diferent. Aquets s'anomenen aliatges eutèctics.
Els diagrames d'equilibri dels aliatges eutèctics tenen un mínim a la línia de líquids, llavors no pot tenir un valor per sota d'aquesta línia. N'hi ha un punt anomenat punt eutèctic el qual coincideixen la línia de líquids i la línia de sòlids. La temperatura i la proporció d'aquest punt també s'anomenen eutèctics.
Característiques:
-Aquest tipus d'aliatges tenen un valor constant de temperatura de solidificació, en lloc de tenir un interval.
-La temperatura de solidificació es la més baixa possible, més baixa que la més baixa dels components que forma la mescla. Per exemple, la temperatura eutèctica de l'aliatge de cadmi i bismut és de 140º mentre que la temperatura de fusió del cadmi és de 321º i la del bismut és de 271º.
-Són mescles molt fines ideals per fabricar peces per a emmotllament.
Aliatges ferro-carboni:
El ferro es pot aliar amb el carboni en qualsevol de les seves quatre formes al·lotròpiques i el carboni pot adoptar diverses formes com el carboni pur, grafit etc... La combinació d'aquests components junt amb la velocitat de refredament donen lloc als constituents dels aliatges ferro-carboni. N'hi ha once constituents diferents, però les més importants són la ferrita, cementita, perlita, austenita i la martensita.
Les diferents estructures cristal·lines provoquen diferents propietats en els sòlids. Els aliatges fèrrics no són totalment homogenis, ja que solen contenir constituents en diferents proporcions, cosa que fa que variïn les seves propietats.
La siderúrgia treballa amb aliatges de ferro-carboni, per tant, es poden deduir les seves propietats a partir del seu diagrama d'equilibri.
Page updated
Report abuse