ENSAYO DE TENSIÓN
Generalidades del ensayo de tensión
Este ensayo es utilizado para medir la resistencia de un material a una fuerza
estática o aplicada lentamente. Esta prueba consiste en alargar una probeta de
ensayo por fuerza de tensión, ejercida gradualmente, con el fin de conocer ciertas
propiedades mecánicas de materiales en general: su resistencia, rigidez y
ductilidad. Sabiendo que los resultados del ensayo para un material dado son
aplicables a todo tamaño y formas de muestra, se ha establecido una prueba en la
cual se aplica una fuerza de tensión sobre una probeta de forma cilíndrica y
tamaño normalizado, que se maneja universalmente entre los ingenieros. Este
ensayo se lleva a cabo a temperatura ambiente entre 10ºC y 35ºC. A continuación
se presenta un dispositivo utilizado para realizar este tipo de ensayos.
Comportamiento de los distintos materiales frente al ensayo.
El comportamiento de los distintos materiales frente al ensayo se encuentra
ilustrado en la siguiente grafica. La figura No. 2 muestra en forma cualitativa las
curvas de esfuerzo-deformación unitaria normales para un metal, un material
termoplástico, un elastómero y un cerámico. En esta figura, las escalas son
cualitativas y distintas para cada material. En la práctica, las magnitudes reales de
los esfuerzos y las deformaciones pueden ser muy distintas entre sí.
Se supone que el material plástico esta arriba de su temperatura de
transformación vítrea (Tg), mientras que los materiales metálicos y termoplásticos
muestran una región inicial elástica, seguida por una región plástica no lineal.
También se incluye una curva aparte para los elastómeros (es decir, hules o
siliconas), ya que el comportamiento de esos materiales es distinto del de otros
materiales poliméricos. Para los elastómeros, una gran parte de la deformación es
elástica y no lineal. Por otra parte los cerámicos y los vidrios solo muestran una
región elástica lineal y casi nunca muestran deformación plástica a temperatura
ambiente.
ENSAYO DE FLEXIÓN
El esfuerzo de flexión puro o simple se obtiene cuando se aplican sobre un cuerpo pares de fuerza perpendiculares a su eje longitudinal, de modo que provoquen el giro de las secciones transversales con respecto a los inmediatos.
Sin embargo y por comodidad para realizar el ensayo de los distintos materiales bajo la acción de este esfuerzo se emplea generalmente a las mismas comportándose como vigas simplemente apoyadas, con la carga concentrada en un punto medio (flexión practica u ordinaria).
En estas condiciones además de producirse el momento de flexión requerido, se superpone al un esfuerzo cortante, cuya influencia en el calculo de la resistencia del material varia con la distancia entre apoyos, debido a que mientras los momentos flectores aumentan o disminuyen con esta, los esfuerzos cortantes se mantienen constantes, como puede comprobarse fácilmente en la figura, por lo que será tanto menor su influencia cuanto mayor sea la luz entre apoyos.
Es por esta razón que la distancia entre los soportes de la probeta se han normalizado convenientemente en función de la altura o diámetro de la misma, pudiendo aceptar entonces que la acción del esfuerzo de corte resulta prácticamente despreciable. Para ensayos más precisos la aplicación de la carga se hace por intermedio de dos fuerzas con lo que se logra “flexión pura”.
RESISTENCIA A LA FLEXION
La formula de la tensión será, como ya sabemos la relación del esfuerzo con la sección donde actúa. El momento flector máximo en la viga es igual:
Mfmax = P . ( L – d ) / 4
Siendo P la carga total, L la distancia entre apoyos y d la separación entre las cargas (ver dibujo en la pag. Siguiente)
Si el modulo resistente Wz es:
Wz = p . d³ /32
Remplazando en la formula que determina la tensión y considerando el momento flector máximo, obtenemos la “resistencia estática o modulo de rotura de la flexión”.
ENSAYO DE DUREZA
Es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre otras. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho más difícil de rayar. En la actualidad la definición más extendida -aparte de los minerales y cerámicas- sería la resistencia a la deformación plástica localizada.
DISTINTOS ENSAYOS
En metalurgia la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración de un indentador. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza.
El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica, siendo un método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo que su uso está muy extendido.
Hasta la aparición de la primera máquina Brinell para la determinación de la dureza, ésta se medía de forma cualitativa empleando una lima de acero templado que era el material más duro que se empleaba en los talleres.
Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes:
Dureza Brinell: Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de wolframio. Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con chapas de menos de 6 mm de espesor. Estima resistencia a tracción.
- Dureza Knoop: Mide la dureza en valores de escala absolutas, y se valoran con la profundidad de señales grabadas sobre un mineral mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza estándar.
- Dureza Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella.
- Rockwell superficial: Existe una variante del ensayo, llamada Rockwell superficial, para la caracterización de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas de materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento superficial.
- Dureza Rosiwal: Mide en escalas absoluta de durezas, se expresa como la resistencia a la abrasión medias en pruebas de laboratorio y tomando como base el corindón con un valor de 1000.
- Dureza Shore: Emplea un escleroscopio. Se deja caer un indentador en la superficie del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. A mayor rebote -> mayor dureza. Aplicable para control de calidad superficial. Es un método elástico, no de penetración como los otros.
- Dureza Vickers: Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide cuadrangular. Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con chapas de hasta 2 mm de espesor.
- Dureza Webster: Emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas de difícil manejo como perfiles largos extruidos. El valor obtenido se suele convertir a valores Rockwell.
ENSAYO DE IMPACTO
Son realizados para valorar la capacidad de resistencia de los materiales metálicos a las cargas de impacto (tenacidad) y determinar su tendencia a la destrucción frágil. Entre los ensayos de esta índole los más conocidos y estandarizados son los de impacto a flexión con muestras ranuradas. La velocidad de deformación en el caso de los ensayos dinámicos supera en varios órdenes a la velocidad de deformación en los ensayos estáticos.
OBJETIVO DEL ENSAYO
. Familiarizarse con los criterios de valoración de la resistencia de los materiales a las cargas de impacto; comparación de la conducta de un mismo material, sometido a distintos tratamientos térmicos, frente al ensayo de impacto de Charpy.
CONSIDERACIONES GENERALES.
Los impactos de ensayo a flexión son realizados con la ayuda del péndulo de Charpy, con una energía que sobrepasa los 30 kgf×cm. El esquema de ensayo se muestra en la figura.
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TENACIDAD A LA FRACTURA
Dentro de las ramas de la mecánica, la mecánica de la fractura está teniendo un enorme auge en la actualidad al estudiar los procesos catastróficos de rotura en estructuras: aviones, puentes...
Utiliza métodos analíticos derivados de otras ramas de la mecánica y la ciencia de materiales para estudiar los mecanismos que formación y propagación de defectos, y métodos experimentales relativos a la mecánica de sólidos para determinar las resistencias relativas del material a la fractura.
La mecánica de fractura permite mejorar el diseño de productos, así como procesos de fabricación e inspección para controlar la propagación de defectos que podrían llevar al fallo de sus componentes, pero sin la necesidad de usar coeficientes de seguridad injustificados. Aplica las teorías de elasticidad y plasticidad, a los defectos cristalográficosmicroscópicos de los materiales para predecir la fractura macroscópica mecánica en los cuerpos. La fractografía es altamente utilizada en la mecánica de fractura para entender las causas de falla y verifica las predicciones teóricas identificando las fallas reales.
ENSAYO DE FATIGA
Ensayo de fatiga
Un ensayo de fatiga es aquel en el que la
pieza está sometida a esfuerzos variables en
magnitud y sentido, que se repiten con cierta
frecuencia. Muchos de los materiales, sobre
todo los que se utilizan en la construcción de
máquinas o estructuras, están sometidos a
esfuerzos variables que se repiten con
frecuencia. Es el caso de los árboles de transmisión, los ejes, las ruedas, las bielas, los
cojinetes, los muelles,... Cuando un material está sometido a esfuerzos que varían de
magnitud y sentido continuamente, se rompe con cargas inferiores a las de rotura
normal para un esfuerzo de tensión constante.
Si a un material se le aplican tensiones repetitivas (cíclicas) de tracción,
compresión, flexión, torsión, etc., comenzaremos por medir los valores de los
esfuerzos a que están sometidas las piezas
– El valor máximo de la tensión a que esta sometida
– El valor mínimo de la tensión
– La diferencia entre el valor máximo y mínimo
– El valor medio (σmed)
Existe un valor de ΔσF por debajo del cual no se produce rotura por fatiga. Es
el límite de fatiga. La carga de fatiga es repetitiva (cíclica) y posee un valor máximo y
mínimo en cada ciclo. Pues bien, la diferencia entre ambos valores (ΔσF) es el límite de
fatiga, independientemente del número de veces que se repite la acción.
En el gráfico, se observa uno de los ciclos de los esfuerzos variables a los que
está sujeto el material. Estos ciclos se repiten, aunque no necesariamente deben ser
iguales. Si la diferencia entre el esfuerzo máximo (σmax) y el esfuerzo mínimo (σmin) que
sufre la pieza en un determinado ciclo supera el valor (ΔσF), entonces se corre el
riesgo de rotura si este fenómeno se repite durante varios ciclos.
ENSAYO DE TERMOFLUENCIA
La termofluencia (fluencia), o deformación gradual, es un proceso por el que un material se alarga a través del tiempo bajo una carga aplicada. Es un proceso activado por la temperatura,y esto significa que la rapidez de alargamiento, para determinado valor de esfuerzo, aumenta mucho con la temperatura. Por ejemplo, los alabes de turbina en los motores de reacción pueden alcanzaruna temperatura local de 1200ºC, por lo que el comportamiento de termofluencia es un factor básico para seleccionar materiales y procesos adecuados para esos álabes. Sin embargo, se debe hacer notar queel término alta temperatura es relativo, y que depende del material que se considera. Para los materiales de motores a reacción, la alta temperatura puede ser mayor que 800ºC, mientras que para lospolímeros y para la soldadura de estaño, ¡la alta temperatura puede ser 25ºC! El comportamiento de termofluencia es en extremo sensible a la microestructura del material, a su procesamiento anterior ya su historia mecánica, así como a su composición. Por consiguiente, es una propiedad importante de la que se puede sacar provecho a través de elecciones razonadas de composición e historia deprocesamiento.
