ENSAYOS SOBRE LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES
Las Propiedades Mecánicas:
Las propiedades mecánicas de los materiales refieren la capacidad de cada material en estado sólido a resistir acciones de cargas o fuerzas.
· Las Estáticas: las cargas o fuerzas actúan constantemente o creciendo poco a poco.
· Las Dinámicas: las cargas o fuerzas actúan momentáneamente, tienen carácter de choque.
· Las Cíclicas o de signo variable: las cargas varían por valor, por sentido o por ambos simultáneamente.
- ensayo de dureza
- ensayo de fatiga
- ensayo de flexión
- ensayo de tensión
- ensayo de tenacidad
- ensayo de impacto
- ensayo de termo fluencia
· Dureza: es la resistencia de un cuerpo a ser rayado por otro. Opuesta a duro es blando. El diamante es duro porque es difícil de rayar. Es la capacidad de oponer resistencia a la deformación superficial por uno más duro. La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes; entre otras. También puede definirse como la cantidad de energía que absorbe un material ante un esfuerzo antes de romperse o deformarse. 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 metalurgia la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración. 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 Dureza de uso industrial son las siguientes:
o Dureza Brinell: Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de W. Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con chapas de menos de 6mm de espesor. Estima resistencia a tracción.
o 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.
o 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.
o 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.
o 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.
o 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.
o 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 2mm de espesor.
o 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.
En mineralogía se utiliza la escala de Mohs, creada por el Aleman Friedrich Mohs en 1820, que mide la resistencia al rayado de los materiales:
Dureza
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Mineral
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Composición química
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1
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Talco, (se puede rayar fácilmente con la uña)
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Mg3Si4O10(OH)2
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2
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Yeso, (se puede rayar con la uña con más dificultad)
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CaSO4·2H2O
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3
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Calcita, (se puede rayar con una moneda de cobre)
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CaCO3
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4
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Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo)
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CaF2
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5
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Apatita, (se puede rayar difícilmente con un cuchillo)
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Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)
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6
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Feldespato, (se puede rayar con una cuchilla de acero)
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KAlSi3O8
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7
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Cuarzo, (raya el acero)
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SiO2
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8
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Topacio,
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Al2SiO4(OH-,F-)2
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9
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Corindón, (sólo se raya mediante diamante)
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Al2O3
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10
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Diamante, (el mineral natural más duro)
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C
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Fatiga: la fatiga de materiales se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas. Aunque es un fenómeno que, sin definición formal, era reconocido desde la antigüedad, este comportamiento no fue de interés real hasta la Revolución Industrial, cuando, a mediados del siglo XIX comenzaron a producir las fuerzas necesarias para provocar la rotura con cargas dinámicas son muy inferiores a las necesarias en el caso estático; y a desarrollar métodos de cálculo para el diseño de piezas confiables. Este no es el caso de materiales de aparición reciente, para los que es necesaria la fabricación y el ensayo de prototipos.
Las curvas S-N se obtienen a través de una serie de ensayos donde una probeta del material se somete a tensiones cíclicas con una amplitud máxima relativamente grande (aproximadamente 2/3 de la resistencia estática a tracción). Se cuentan los ciclos hasta rotura. Este procedimiento se repite en otras probetas a amplitudes máximas decrecientes.
Los resultados se representan en un diagrama de tensión, S, frente al logaritmo del número N de ciclos hasta la rotura para cada una de las probetas. Los valores de S se toman normalmente como amplitudes de la tensión.
Se pueden obtener dos tipos de curvas S-N. A mayor tensión, menor número de ciclos hasta rotura. En algunas aleaciones férreas y en aleaciones de titanio, la curva S-N se hace horizontal para valores grandes de N, es decir, existe una tensión límite, denominada límite de fatiga, por debajo del cual la rotura por fatiga no ocurrirá.
En la Curva S-N de un Aluminio frágil, la curva decrecería y tiende a decrecer hasta llegar a rotura.
Suele decirse, de manera muy superficial, que muchas de las aleaciones no férreas (aluminio, cobre, magnesio, etc.) no tienen un límite de fatiga, dado que la curva S-N continúa decreciendo al aumentar N. Según esto, la rotura por fatiga ocurrirá independientemente de la magnitud de la tensión máxima aplicada, y por tanto, para estos materiales, la respuesta a fatiga se especificaría mediante la resistencia a la fatiga que se define como el nivel de tensión que produce la rotura después de un determinado número de ciclos. Sin embargo, esto no es exacto: es ingenuo creer que un material se romperá al cabo de tantos ciclos, no importa que pequeña sea la tensión presente.
En las vigas la flexión genera momentos internos; en un diagrama de momentos flectores internos, un momento positivo significa que en su sección transversal, la fibra inferior al eje neutro (que coincide con el eje centroidal) está sometido a esfuerzos normales de tensión, y la fibra superior al eje neutro estará sometido a esfuerzos normales de compresión. Sin embargo, estos esfuerzos no se distribuyen en forma constante, como en los esfuerzos normales directos, sino que tienen una distribución variable, a partir del eje neutro hasta las fibras extremas. Se puede deducir como es el comportamiento de la sección transversal cuando el momento flector interno es negativo, y de igual manera, que en el eje neutro, los esfuerzos normales son nulos, y máximos para cada caso en las fibras extremas.
La Capacidad resistente a flexión en vigas de acero se define según las siguientes:
La resistencia a flexión de perfiles compactos es una función de la longitud no soportada conocida como Lb. Si ésta es menor que el parámetro Lp, se considera que la viga cuenta con un soporte lateral total y por lo tanto su capacidad resistente a flexión es el momento plástico Mp. Cuando la longitud del elemento es mayor a Lp la resistencia en flexión disminuye por efecto de pandeo lateral inelástico o pandeo lateral elástico. Si Lb es mayor que Lp pero menor o igual al parámetro Lr, se trata de un pandeo lateral torsional (PLT) inelástico. Cuando Lb es mayor que Lr la resistencia del perfil se basa en el pandeo lateral torsional elástico. La Figura 1 muestra la relación entre la longitud soportada Lb y el momento resistente Mn (Segui, 2000).
Los parámetros indicados en la figura se obtienen con las siguientes ecuaciones: Las longitudes Lp y Lr vienen dadas por:
Esfuerzo de Tracción – TensiónSe denomina tracción al esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. Lógicamente, se considera que las tensiones que tiene cualquier sección perpendicular a dichas fuerzas son normales a esa sección, y poseen sentidos opuestos a las fuerzas que intentan alargar el cuerpo. Un cuerpo sometido a un esfuerzo de tracción sufre deformaciones positivas (estiramientos) en ciertas direcciones por efecto de la tracción. Sin embargo el estiramiento en ciertas direcciones generalmente va acompañado de acortamientos en las direcciones transversales; así si en un prisma mecánico la tracción produce un alargamiento sobre el eje "X" que produce a su vez un encogimiento sobre los ejes "Y" y "Z". Este encogimiento es proporcional al coeficiente de Poisson (ν):
Cuando se trata de cuerpos sólidos, las deformaciones pueden ser permanentes: en este caso, el cuerpo ha superado su punto de fluencia y se comporta de forma plástica, de modo que tras cesar el esfuerzo de tracción se mantiene el alargamiento; si las deformaciones no son permanentes se dice que el cuerpo es elástico, de manera que, cuando desaparece el esfuerzo de tracción, aquél recupera su longitud primitiva.
La relación entre la tracción que actúa sobre un cuerpo y las deformaciones que produce se suele representar gráficamente mediante un diagrama de ejes cartesianos que ilustra el proceso y ofrece información sobre el comportamiento del cuerpo de que se trate.
Ensayo de tracción
Se define el ensayo de tracción como al esfuerzo al que se somete la probeta de un material a un esfuerzo de tracción hasta que el material se rompe. Se utiliza para analizar la resistencia que tiene un material al aplicar una fuerza que va creciendo gradualmente. Un ensayo de tracción se realiza colocando la pieza de un material cualquiera entre unas pinzas que aplicarán una fuerza de tracción que irá aumentando gradualmente hasta su rotura. A medida que aumenta la fuerza se mide la longitud que aumenta y se puede observar durante el alargamiento una estricción que se produce por este efecto. El comportamiento del material al ir estirándose por la acción de la fuerza es recogido por un ordenador y llevado a una tabla directamente.
En la gráfica, se pueden analizar distintos valores de cómo se comporta el material ante los esfuerzos de tracción (si soporta grandes esfuerzos o por el contrario se rompe con mucha facilidad). Pero además se pueden observar distintos comportamientos del material. Dentro de la tabla se pueden analizar dos zonas: la zona elástica y la zona plástica.
La zona elástica es donde el material (desde el comienzo de la aplicación de la fuerza hasta un punto determinado) puede recuperar su forma original si se deja de aplicar la fuerza. Y se subdivide en zona de proporcionalidad que es donde la proporción entre el aumento del esfuerzo y el alargamiento es constante; y en zona de no proporcionalidad que nos indica que el esfuerzo al que es sometido no es proporcional al alargamiento producido por el material en esta zona.
La zona plástica es distinta a la elástica ya que si se deja de aplicar el esfuerzo de tracción, el material no es capaz de recuperar su forma original. Se distinguen tres partes: zona de fluencia que es donde el material sin necesidad de aplicar ninguna fuerza se deforma, rotura del material se observa que el material comienza a no aguantar determinados esfuerzos y rotura física del material que es cuando se rompe finalmente.
La zona plástica es distinta a la elástica ya que si se deja de aplicar el esfuerzo de tracción, el material no es capaz de recuperar su forma original. Se distinguen tres partes: zona de fluencia que es donde el material sin necesidad de aplicar ninguna fuerza se deforma, rotura del material se observa que el material comienza a no aguantar determinados esfuerzos y rotura física del material que es cuando se rompe finalmente.
Esfuerzo de Tracción – TensiónSe denomina tracción al esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. Lógicamente, se considera que las tensiones que tiene cualquier sección perpendicular a dichas fuerzas son normales a esa sección, y poseen sentidos opuestos a las fuerzas que intentan alargar el cuerpo. Un cuerpo sometido a un esfuerzo de tracción sufre deformaciones positivas (estiramientos) en ciertas direcciones por efecto de la tracción. Sin embargo el estiramiento en ciertas direcciones generalmente va acompañado de acortamientos en las direcciones transversales; así si en un prisma mecánico la tracción produce un alargamiento sobre el eje "X" que produce a su vez un encogimiento sobre los ejes "Y" y "Z". Este encogimiento es proporcional al coeficiente de Poisson (ν):
Cuando se trata de cuerpos sólidos, las deformaciones pueden ser permanentes: en este caso, el cuerpo ha superado su punto de fluencia y se comporta de forma plástica, de modo que tras cesar el esfuerzo de tracción se mantiene el alargamiento; si las deformaciones no son permanentes se dice que el cuerpo es elástico, de manera que, cuando desaparece el esfuerzo de tracción, aquél recupera su longitud primitiva.
La relación entre la tracción que actúa sobre un cuerpo y las deformaciones que produce se suele representar gráficamente mediante un diagrama de ejes cartesianos que ilustra el proceso y ofrece información sobre el comportamiento del cuerpo de que se trate.
Ensayo de tracción
Se define el ensayo de tracción como al esfuerzo al que se somete la probeta de un material a un esfuerzo de tracción hasta que el material se rompe. Se utiliza para analizar la resistencia que tiene un material al aplicar una fuerza que va creciendo gradualmente. Un ensayo de tracción se realiza colocando la pieza de un material cualquiera entre unas pinzas que aplicarán una fuerza de tracción que irá aumentando gradualmente hasta su rotura. A medida que aumenta la fuerza se mide la longitud que aumenta y se puede observar durante el alargamiento una estricción que se produce por este efecto. El comportamiento del material al ir estirándose por la acción de la fuerza es recogido por un ordenador y llevado a una tabla directamente.
En la gráfica, se pueden analizar distintos valores de cómo se comporta el material ante los esfuerzos de tracción (si soporta grandes esfuerzos o por el contrario se rompe con mucha facilidad). Pero además se pueden observar distintos comportamientos del material. Dentro de la tabla se pueden analizar dos zonas: la zona elástica y la zona plástica.
La zona elástica es donde el material (desde el comienzo de la aplicación de la fuerza hasta un punto determinado) puede recuperar su forma original si se deja de aplicar la fuerza. Y se subdivide en zona de proporcionalidad que es donde la proporción entre el aumento del esfuerzo y el alargamiento es constante; y en zona de no proporcionalidad que nos indica que el esfuerzo al que es sometido no es proporcional al alargamiento producido por el material en esta zona.
La zona plástica es distinta a la elástica ya que si se deja de aplicar el esfuerzo de tracción, el material no es capaz de recuperar su forma original. Se distinguen tres partes: zona de fluencia que es donde el material sin necesidad de aplicar ninguna fuerza se deforma, rotura del material se observa que el material comienza a no aguantar determinados esfuerzos y rotura física del material que es cuando se rompe finalmente.
ensayo de impacto
La zona plástica es distinta a la elástica ya que si se deja de aplicar el esfuerzo de tracción, el material no es capaz de recuperar su forma original. Se distinguen tres partes: zona de fluencia que es donde el material sin necesidad de aplicar ninguna fuerza se deforma, rotura del material se observa que el material comienza a no aguantar determinados esfuerzos y rotura física del material que es cuando se rompe finalmente.
ensayo de impacto
Los ensayos dinámicos 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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Esquema de trabajo del péndulo de Charpy
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La muestra se coloca horizontalmente en un patrón especial que garantiza estrictamente la posición de la incisión (ranura, entalla) en la parte media del vano entre los apoyos. El impacto es aplicado desde el lado opuesto a la incisión, en el plano perpendicular al eje longitudinal de la muestra. El péndulo se fija en la posición superior inicial a la altura ha de 1,6 m, lo que corresponde a una velocidad del cuchillo del péndulo, en el momento del impacto de 5,6 m/s. Luego la uña de fijación se retira, el péndulo cae libremente por efecto de su propia gravedad aplicando un impacto a la muestra, que la encorva y destruye elevándose en relación al eje vertical del péndulo Charpy en un ángulo b. Este ángulo es tanto menor, cuanto mayor es la energía aplicada en el proceso por el péndulo para la deformación y destrucción de la muestra.
Por medio de la escala, se mide el ángulo de elevación del péndulo y directamente se lee la energía consumida en el proceso (la escala del indicador esta graduada en kilopondios por metro kp×m). Las relaciones energéticas usadas se muestran aquí.
Una parte de la energía del impacto es empleada en la sacudida del péndulo y del bastidor, para vencer la resistencia del aire, en el roce de los cojinetes y del dispositivo de medición, en la deformación de la muestra cerca de los apoyos y bajo el cuchillo, en la transmisión de energía a las fracciones de la muestra y en la deformación elástica de la barra del péndulo.
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