1. Propiedades mecánicas de materiales sometidos a tensión estática uniaxial.
1. Definición:
Locura: La locura es un tipo de defecto que ocurre en el proceso de deformación de los materiales poliméricos. Aparece en color plateado debido a su baja densidad y alta reflectividad de la luz. La locura ocurre en partes débiles o defectuosas de materiales poliméricos.
Superplasticidad: Bajo determinadas condiciones, el material presenta un alargamiento muy grande (en torno al 1000%) sin estrangulamiento ni rotura, lo que se denomina superplasticidad. La proporción de deformación generada por el deslizamiento de los límites de grano, εg, con respecto a la deformación total, εt, suele estar entre 50% y 70%, lo que indica que el deslizamiento de los límites de grano juega un papel importante en la deformación superplástica.
Fractura frágil: antes de que el material se fracture, no hay deformaciones plásticas macroscópicas evidentes ni signos 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 obvia antes y durante la fractura. En la fractura dúctil, el proceso de propagación de la grieta es generalmente lento y consume una gran cantidad de energía de deformación plástica.
Fractura por escisión: la fractura frágil a lo largo de un plano cristalino específico, causada por la destrucción de enlaces entre átomos bajo tensión normal, se llama fractura por escisión. El paso de escisión, el patrón de río y el patrón de lengua son las características microscópicas básicas de la fractura por escisión.
Fractura por corte: la fractura por corte es la fractura causada por el deslizamiento y la separación del material a lo largo del plano de deslizamiento bajo tensión de corte. La fractura por agregación de microporos es un modo común de fractura dúctil en materiales. La superficie de la fractura es generalmente de color gris oscuro y fibrosa en macro, mientras que la superficie de la microfractura presenta un patrón característico de muchas "ondulaciones" distribuidas en la superficie.
2. Intente describir la diferencia entre fractura dúctil y fractura frágil. ¿Por qué la fractura frágil es la más peligrosa?
Tipo de tensión, grado de deformación plástica, presencia o ausencia de presagio y velocidad de propagación de la grieta.
3. ¿Cuál es la diferencia entre la resistencia a la rotura σ c y la resistencia a la tracción σ b ?
Si el material no sufre deformación plástica o sufre muy poca deformación plástica antes de la fractura, y se produce una fractura frágil sin estricción, entonces la tensión crítica, σc, es igual a la tensión de ruptura, σb.
Sin embargo, si el estrechamiento ocurre antes de la fractura, σc y σb no son iguales.
4. ¿Hasta qué alcance se aplica la fórmula de Griffith y bajo qué circunstancias debería revisarse?
La fórmula de Griffith sólo es adecuada para sólidos frágiles que contienen microfisuras, como vidrio, materiales cristalinos inorgánicos y acero de ultra alta resistencia.
Para muchos materiales de ingeniería estructural, como el acero estructural y los materiales poliméricos, la punta de la grieta sufre una deformación plástica significativa, lo que consume una gran cantidad de energía de deformación plástica.
Por tanto, la fórmula de Griffith debe modificarse para reflejar con precisión este fenómeno.
2. Propiedades mecánicas de materiales sometidos a tensión estática uniaxial.
1. Coeficiente de estado de tensión suave
La relación entre el esfuerzo cortante máximo, τmax, y el esfuerzo normal máximo, σmax, se denomina coeficiente de suavidad del estado de tensión, denotado por α.
Cuanto mayor es α, mayor se vuelve el componente máximo de tensión cortante, lo que indica un estado de tensión más suave y una mayor facilidad de deformación plástica en el material.
Por otro lado, cuanto menor es α, más difícil se vuelve el estado de tensión, lo que lleva a una fractura más frágil.
2. ¿Cómo entender el fenómeno del “refuerzo entallado” de los materiales plásticos?
Cuando una muestra tiene una entalla, su límite elástico es mayor que el de una muestra bajo tensión uniaxial debido a la presencia de tensión triaxial, lo que se denomina fenómeno de "refuerzo de entalla".
Sin embargo, este “refuerzo de entalla” no puede considerarse un método de refuerzo de material, ya que es simplemente el resultado de la deformación plástica del material limitada por tensiones tridimensionales.
En este caso, el valor σs del propio material permanece sin cambios.
3. Se comparan exhaustivamente las características y ámbito de aplicación de los ensayos uniaxiales de tensión, compresión, flexión y torsión.
Revisado:
En la tensión unidireccional, el componente de tensión normal es grande mientras que el componente de tensión cortante es pequeño, lo que resulta en un estado de tensión fuerte.
Esta prueba se aplica típicamente a materiales con baja resistencia a la deformación plástica y resistencia al corte, conocidos como materiales plásticos.
La compresión unidireccional tiene un coeficiente de suavidad en el estado de tensión de a = 2 y se utiliza principalmente para probar materiales frágiles.
Los ensayos de flexión no sufren la deflexión de la muestra que se produce durante los ensayos de tracción.
En la flexión, la distribución de tensiones de 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 tensión, lo que lo convierte en un método eficaz para evaluar la resistencia y plasticidad de materiales que son frágiles bajo tensión.
En las pruebas de torsión, la distribución de tensiones en la sección de la muestra es mayor en la superficie, lo que la hace muy sensible al endurecimiento de la superficie del material y a los defectos de la superficie.
La prueba de torsión da como resultado un esfuerzo normal y un esfuerzo cortante aproximadamente iguales.
La superficie de fractura en el ensayo de torsión es perpendicular al eje de la muestra y se utiliza a menudo para evaluar materiales plásticos.
En una fractura normal, el ángulo entre la superficie de la fractura y el eje de la muestra es de aproximadamente 45 grados, debido a la tensión normal. Los materiales frágiles suelen tener este tipo de superficie de fractura.
4. Intente comparar las similitudes y diferencias entre los principios de la prueba de dureza Brinell y la prueba de dureza Vickers, y compare las ventajas y desventajas de la prueba de dureza Brinell, la prueba de dureza Rockwell y la prueba de dureza Vickers y su ámbito de aplicación.
El principio de la prueba de dureza Vickers es similar al de la prueba de dureza Brinell en que ambos métodos calculan los valores de dureza en función de la carga por unidad de área de la indentación.
La principal diferencia entre las dos pruebas es el tipo de penetrador utilizado. En la prueba de dureza Vickers se utiliza un penetrador piramidal de diamante con un ángulo de 136 grados entre lados opuestos. Por el contrario, la prueba de dureza Brinell utiliza una bola de acero endurecido o una bola de aleación dura como penetrador.
Ventajas de la prueba de dureza Brinell:
La gran área de indentación de la prueba de dureza Brinell la hace capaz de reflejar el rendimiento promedio de cada fase constituyente en un área grande, y los resultados de la prueba son estables y altamente repetibles.
Por ello, la prueba de dureza Brinell es especialmente adecuada para medir la dureza de materiales como la fundición gris y las aleaciones para rodamientos.
Desventajas de la prueba de dureza Brinell:
El gran diámetro de indentación de la prueba de dureza Brinell la hace generalmente inadecuada para la inspección directa de productos terminados.
Además, la necesidad de sustituir el diámetro del penetrador y la carga por materiales con dureza variable, así como el inconveniente de medir el diámetro del penetrador, son desventajas adicionales de la prueba.
Ventajas de la prueba de dureza Rockwell:
Operación fácil y rápida;
La sangría es pequeña y la pieza se puede inspeccionar directamente;
Desventajas:
Mala representación debido al pequeño retroceso;
Los valores de dureza medidos con diferentes escalas no se pueden comparar ni intercambiar directamente.
La prueba de dureza Vickers tiene muchas ventajas:
Medición precisa y confiable;
Puedes seleccionar cualquier carga.
Además, la dureza Vickers no tiene el problema de que la dureza de diferentes escalas de dureza Rockwell no se puede unificar y el espesor de la pieza de prueba es más delgado que el de la dureza Rockwell.
Desventajas de la prueba 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 baja, por lo que no es adecuado para la inspección de rutina de la producción en masa.
Lectura relacionada: Dureza del metal: la guía definitiva
3. Resistencia al impacto y fragilidad de los materiales a bajas temperaturas.
1. Temperatura de transición de fragilidad, dúctil y frágil a baja temperatura.
Cuando la temperatura durante la prueba cae por debajo de cierta temperatura, tk (la temperatura de transición dúctil-frágil), materiales como CCC o metales y aleaciones de cristales hexagonales compactos, particularmente aceros estructurales de resistencia media y baja comúnmente utilizados en ingeniería, se someten a una transición de un estado dúctil a un estado frágil, lo que resulta en una disminución significativa en la energía de absorción de impacto.
Esta transición se caracteriza por un cambio en el modo de fractura de agregación de microporos a escisión transgranular y un cambio en la apariencia de la fractura de fibrosa a cristalina, un fenómeno conocido como fragilidad a baja temperatura.
2. Se explica la esencia física de la fragilidad a baja temperatura y los factores que la influyen.
A temperaturas por debajo de la temperatura de transición dúctil-frágil, la resistencia a la fractura es menor que el límite elástico, lo que resulta en un comportamiento frágil a bajas temperaturas.
A. Influencia de la estructura cristalina: Los metales cúbicos centrados en el cuerpo y sus aleaciones exhiben fragilidad a bajas temperaturas, mientras que los metales cúbicos centrados en las caras y sus aleaciones generalmente no exhiben fragilidad a bajas temperaturas.
La fragilidad a baja temperatura de los metales CCC puede estar estrechamente relacionada con el fenómeno del rendimiento tardío.
B. La influencia de la composición química: aumenta el contenido de elementos solutos intersticiales, disminuye la energía más alta y aumenta la temperatura de transición dúctil y frágil.
C. Influencia de la microestructura: refinar el grano y la estructura puede aumentar la tenacidad de los materiales.
D. Influencia de la temperatura: es relativamente complejo y frágil (azul frágil) dentro de un cierto rango de temperatura.
E. Efecto de la tasa de carga: aumentar la tasa de carga es como disminuir la temperatura, lo que aumenta la fragilidad del material y aumenta la temperatura de transición dúctil y frágil.
F. Influencia de la forma y el tamaño de la muestra: cuanto menor sea el radio de curvatura de la muesca, mayor será el tk.
3. ¿La razón para mejorar la tenacidad mediante el refinamiento del grano?
Los límites de grano sirven como resistencia a la propagación de grietas.
Reducir el número de dislocaciones en el empaquetamiento del límite previo al grano ayuda a reducir la concentración de tensiones.
Un aumento en el área 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.
4. Resistencia a la fractura de los materiales.
1. Fractura frágil de baja tensión
Cuando la tensión de trabajo de piezas grandes no es alta, incluso muy por debajo del límite elástico, a menudo se produce una fractura frágil, que se denomina fractura frágil de baja tensión.
2. Explique los nombres y significados de los siguientes símbolos: KIc; JIC; GIc; δc.
KIC (el factor de intensidad del campo 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 la grieta.
GIc representa la energía consumida por unidad de área 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 del material para prevenir el inicio de la expansión de la grieta.
3. Explique las similitudes y diferencias entre KI y KIc.
KI y KIC son dos conceptos distintos.
KI es un parámetro mecánico que representa la resistencia del campo 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, KIC es un índice de propiedad mecánica del material que depende de factores internos como la composición y estructura, pero 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.
5. Propiedad de fatiga de los materiales.
1. ¿Cuáles son las características de la falla por fatiga?
(1) Este tipo de falla es una falla repentina e inesperada que ocurre sin deformación plástica perceptible antes de la falla por fatiga y se caracteriza por una fractura frágil.
(2) La falla por fatiga es un tipo de fractura retrasada por ciclos 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 fatiga por flexión, fatiga por torsión, fatiga por tensión y compresión, fatiga por contacto y fatiga compuesta.
Según el nivel de tensión y la vida útil de la fractura, la fatiga se puede clasificar en fatiga de ciclo alto y fatiga de ciclo bajo.
2. ¿Cuántas áreas características de la superficie de fractura por fatiga?
Fuente de fatiga, zona de crecimiento de grietas por fatiga y zona de fractura transitoria.
3. Intenta describir las similitudes y diferencias entre σ -1 y ΔKº .
σ -1 (resistencia a la fatiga) representa la resistencia a la fatiga de vida infinita de muestras lisas, que es adecuada para el diseño y verificación de resistencia a la fatiga tradicional;
ΔKth (valor límite de crecimiento de grietas por fatiga) representa el rendimiento de fatiga de vida infinita de la muestra de grietas, que es adecuado para el diseño y la verificación de la resistencia a la fatiga de piezas agrietadas.
6. Resistencia al desgaste de los materiales.
1. ¿Cuántos tipos de desgaste existen? Muestra la morfología del daño superficial.
Desgaste por adherencia, desgaste abrasivo, 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 rayaduras o surcos evidentes en la superficie de fricción.
Fatiga de contacto: hay muchos agujeros (marcas) en la superficie de contacto, algunos de los cuales son profundos, y hay rastros de líneas de crecimiento de grietas por fatiga en la parte inferior.
2. ¿Es correcta la afirmación “cuanto más duro es el material, mayor es la resistencia al desgaste”? ¿Por qué?
Correcto. Porque el desgaste es inversamente proporcional a la dureza.
3. Desde el punto de vista de mejorar la resistencia a la fatiga del material, la resistencia a la fatiga por contacto y la resistencia al desgaste, se analizan los problemas que requieren atención en el tratamiento térmico químico.
La tensión de compresión residual de la capa superficial aumenta mientras que la resistencia y dureza de la superficie aumentan.
7. Rendimiento de los materiales a altas temperaturas.
1. Explique los siguientes términos:
Temperatura específica aproximada: T/T l
Creep: Se refiere a la deformación plástica gradual de un material bajo la influencia de temperatura y carga constantes durante un largo período de tiempo.
Resistencia: Este término se refiere a la tensión máxima que un material puede soportar sin sufrir fractura por fluencia, bajo una temperatura específica y dentro de un período 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 bajo tensión se llama estabilidad de relajación.
2. Se resume el mecanismo de fractura y deformación por fluencia de los materiales.
Los principales mecanismos de deformación por fluencia en materiales incluyen deslizamiento por dislocación, difusión atómica y deslizamiento de límites de grano.
Para los materiales poliméricos, el alargamiento 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, particularmente a altas temperaturas y bajos niveles de tensión. Esto se debe a que la resistencia de los granos policristalinos y los límites de los granos disminuye con la temperatura, pero esta última disminuye más rápidamente, lo que lleva a una menor resistencia de los límites de los granos en relación con la resistencia de los granos a altas temperaturas.
Hay dos modelos para explicar la fractura de los límites de grano: el modelo de concentración de tensiones y deslizamiento de los límites de grano y el modelo de agregación de vacantes.
3. Se discuten las diferencias entre los mecanismos de deformación por fluencia y deformación plástica de metales a altas temperaturas.
El mecanismo de deformación plástica de los metales se basa en el deslizamiento y el maclado.
El mecanismo de deformación por fluencia de los metales está impulsado principalmente por el deslizamiento por dislocación, la fluencia por difusión y el deslizamiento de los límites de grano.
A altas temperaturas, la temperatura elevada proporciona activación térmica a los átomos y las vacantes, lo que permite que las dislocaciones se muevan y continúen causando deformación por fluencia.
Bajo la influencia de fuerzas externas, se genera un campo de tensión desigual dentro del cristal, lo que provoca diferencias en la energía potencial entre átomos y huecos. Esto da como resultado una difusión direccional desde energía potencial alta a energía potencial baja.
8. Propiedades térmicas de los materiales.
1. ¿Intenta analizar los factores que afectan la capacidad calorífica de los materiales?
Para 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 abruptamente y tiene un valor infinito.
En una transformación de fase de segundo orden, el cambio se produce gradualmente en un rango de temperatura específico y da como resultado una capacidad calorífica máxima finita.
2. Trate de explicar por qué la conductividad térmica del vidrio es a menudo varios órdenes de magnitud menor que la de un sólido cristalino.
Los materiales amorfos tienen 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 fácilmente, lo que conduce a una conductividad térmica significativamente reducida.
9. Propiedades magnéticas de los materiales.
1. ¿Por qué se produce diamagnetismo en los materiales?
Bajo la acción del campo magnético, el movimiento orbital de los electrones en la materia produce diamagnetismo.
2. ¿Cuáles son las principales aplicaciones de la susceptibilidad diamagnética y paramagnética en la investigación de metales?
Determinación de la curva de máxima solubilidad en el diagrama de fases de la aleación:
Utilizando la regla de que las soluciones sólidas monofásicas exhiben un mayor paramagnetismo que las estructuras mixtas de dos fases 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.
Investigando la descomposición de aleaciones de aluminio:
Se estudiaron la transición de orden-desorden, la transición de isomería y la temperatura de recristalización para comprender mejor la descomposición de las aleaciones de aluminio.
3. Explique las condiciones bajo las cuales ocurre el ferromagnetismo.
Para que un metal exhiba 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.
4. Intente explicar las principales marcas de rendimiento de los materiales magnéticos blandos y de los materiales magnéticos duros.
Los materiales magnéticos blandos tienen un bucle de histéresis estrecho y se caracterizan por una alta conductividad magnética y un bajo Hc. Por el contrario, los materiales magnéticos duros tienen un bucle de histéresis grueso, Hc, Br y (BH)m elevados.
10. Propiedades eléctricas de los materiales.
1. Explicar las similitudes y diferencias entre la teoría cuántica de la conducción de electrones libres y la teoría clásica de la conducción.
En un metal, el campo eléctrico creado por los iones positivos es uniforme y no existe interacción entre los electrones de valencia y los iones. Este campo se considera una propiedad de todo metal y permite el libre movimiento de electrones por todo el metal.
Según la teoría cuántica de los electrones libres, los electrones internos de cada átomo de metal retienen el estado energético de un solo átomo, mientras que los electrones de valencia tienen diferentes estados energéticos debido a la cuantificación y tienen distintos niveles de energía.
La teoría de bandas de energía también reconoce que los electrones de valencia de los metales se comparten y cuantifican en energía, pero sugiere que el campo potencial creado por los iones de los metales no es uniforme sino que cambia periódicamente.
2. ¿Por qué la resistencia del metal aumenta con la temperatura, mientras que la del semiconductor disminuye con la temperatura?
El aumento de la temperatura intensifica la vibración iónica y aumenta la amplitud de la vibración térmica, lo que conduce a un mayor desorden atómico, una reducción del movimiento de los electrones y una mayor probabilidad de dispersión. Estos factores dan como resultado un aumento de la resistividad.
En los semiconductores, la conducción es impulsada principalmente por electrones y huecos. Un aumento de temperatura aumenta la energía cinética de los electrones, lo que provoca un aumento del número de electrones libres y de huecos en el cristal y, por tanto, un aumento de la conductividad y una disminución de la resistencia.
3. ¿Cuáles son los tres principales indicadores de rendimiento de los superconductores?
(1) Temperatura de transición crítica Tc
(2) Campo magnético crítico Hc
(3) Densidad de corriente crítica Jc
4. Se analiza brevemente la aplicación de la medición de resistencia en la investigación de metales.
El cambio en la microestructura de metales y aleaciones se estudia midiendo el cambio en la resistividad.
(1) Mida la curva de solubilidad de la solución sólida.
(2) Mida la temperatura de transformación en la aleación con memoria de forma.
5. ¿Cuáles son los efectos sensibles a la conductividad de los semiconductores?
Efecto térmico, efecto fotosensible, efecto sensible a la presión (sensible al voltaje y sensible a la presión), efecto sensible al magnético (efecto Hall y efecto magnetorresistencia), etc.
6. ¿Cuáles son las principales formas de daño a los materiales aislantes?
Avería eléctrica, avería térmica y avería química.
11. Propiedades ópticas de los materiales.
1. Se describe brevemente el concepto de rendimiento óptico lineal y sus parámetros básicos.
Propiedades ópticas lineales: Cuando la luz de una sola frecuencia incide sobre un medio transparente que no absorbe la luz, su frecuencia no cambia. Cuando luz de diferentes frecuencias incide sobre el medio al mismo tiempo, no hay interacción entre las ondas de luz y no se producen nuevas frecuencias.
Cuando dos haces de luz se cruzan, si son luz coherente, se producirá interferencia. Si son luz incoherente, sólo se combinará la intensidad de la luz, siguiendo el principio de superposición lineal.
Otras propiedades ópticas incluyen refracción, dispersión, reflexión, absorción y dispersión.
2. ¿Intentáis analizar la viabilidad de preparar productos metálicos transparentes?
No es práctico utilizar metales para ópticas de luz visible porque absorben fuertemente la luz visible. Esto ocurre porque los electrones de valencia de los metales ocupan una banda incompleta y, tras absorber fotones, quedan en estado excitado. Pueden transferir energía mediante colisiones y producir calor, pero no pasan a la banda de conducción.
3. Se describen brevemente las condiciones para producir propiedades ópticas no lineales.
La luz incidente es intensa;
Requisitos de simetría cristalina;
Coincidencia de fases.
