Tema 2_ensayos

# Unidad 2 ## 30 ## Recuerda - Algunos cristales se comportan como superconductores cuando son enfriados a una temperatura próxima al cero absoluto. - La resistividad eléctrica se vuelve prácticamente nula. - No presentan resistencia alguna al paso de la corriente eléctrica. - Los materiales superco...

# Unidad 2 ## 30 ## Recuerda - Algunos cristales se comportan como superconductores cuando son enfriados a una temperatura próxima al cero absoluto. - La resistividad eléctrica se vuelve prácticamente nula. - No presentan resistencia alguna al paso de la corriente eléctrica. - Los materiales superconductores pueden transportar grandes intensidades de corriente sin pérdidas por efecto Joule. - Los superconductores tienen una gran aplicación en medicina (resonancia magnética). - Se consiguen enfriando los materiales con helio líquido a 4 K (-269 °C). - Materiales cerámicos son superconductores. ## 1. Propiedades mecánicas de los materiales - Las propiedades mecánicas de los materiales definen el comportamiento de los metales en su utilización industrial. - Las más importantes son las siguientes: - **Elasticidad**: Capacidad de recuperar la forma primitiva cuando cesa la carga que los deforma. - Si se rebasa el límite elástico, la deformación que se produce es permanente. - **Plasticidad**: Capacidad de adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura. - Se denomina maleabilidad si la deformación se presenta en forma de láminas. - Se denomina ductilidad si la deformación se presenta en forma de filamentos. - **Cohesión**: Resistencia que ofrecen los átomos a separarse. - Depende del enlace de estos. - Los átomos de los metales se pueden separar ligeramente. - **Dureza**: Mayor o menor resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados. - Depende de la cohesión atómica. - **Tenacidad**: Capacidad de resistencia a la rotura por la acción de fuerzas exteriores. - **Fragilidad**: Propiedad opuesta a la tenacidad. - El intervalo plástico es muy corto, por tanto, sus límites elástico y de rotura están muy próximos. - **Resistencia a la fatiga**: Resistencia que ofrece un material a los esfuerzos repetitivos. - **Resiliencia**: Energía absorbida en una rotura por impacto. ## 1.1. Medida de las propiedades mecánicas - Las propiedades mecánicas se pueden cuantificar y medir a través de diferentes ensayos industriales mediante los cuales se pueden determinar las características técnicas de los materiales. - Los ensayos se clasifican según tres criterios básicos: - **Según la rigurosidad de su ejecución**: - **Ensayos técnicos de control**: Se realizan durante el proceso productivo. - Se caracterizan por su rapidez y simplicidad. - Han de ser exactos, fieles y prácticos. - **Ensayos científicos**: Se realizan para investigar las características técnicas de nuevos materiales. - Se caracterizan por su gran precisión. - No importa tanto la rapidez que exigen los procesos de producción. - **Según la forma de realizar los ensayos**: - **Ensayos destructivos**: Los materiales sometidos a este tipo de experimentos ven alterada su forma y su presentación inicial. - **Ensayos no destructivos**: Los materiales sometidos a este tipo de pruebas no ven alterada ni su forma ni la presentación inicial. - **Según los métodos empleados en la determinación de las propiedades de los materiales**: - **Ensayos químicos**: Permiten conocer la composición química cualitativa y cuantitativa del material, así como su comportamiento ante los agentes químicos. - **Ensayos metalográficos**: Con la ayuda del microscopio metalográfico, se estudia la estructura interna del material. - Se permite conocer los tratamientos térmicos y mecánicos que este ha sufrido. - **Ensayos físicos y fisicoquímicos**: Determinan las características elásticas y de resistencia de los materiales sometidos a esfuerzos o deformaciones análogas a las que se presentan en la realidad. - Se realizan ensayos estáticos de tracción, compresión, cizalladura, flexión y torsión. - Se realizan ensayos de dureza; ensayos de choque o dinámicos; ensayos de fatiga y fluencia. - Se realizan ensayos tecnológicos de plegado, doblado, embutición, forjado etc. - **Ensayos mecánicos**: Determinan las propiedades físicas (densidad, punto de fusión, calor específico, conductividad térmica y eléctrica, etc.), así como las imperfecciones y malformaciones, tanto internas como externas. ## Tabla 2.1. Clasificación de los ensayos de medida. ## Vocabulario - **Metalografía**: Ciencia que tiene por objetivo el estudio de la estructura cristalina de los metales. - **Análisis macroscópico**: Se realiza con lupa o microscopio de hasta 15 aumentos. - Permite estudiar la uniformidad de la estructura y los defectos de fabricación. - **Análisis microscópico**: Se efectúa con microscopios metalográficos de 15 aumentos en adelante. - Se estudia la constitución de los materiales observando la superficie de una probeta previamente tratada. ## B. Tensión y deformación - Consideremos una varilla cilíndrica de longitud _l_ y una sección _A_, sometida a una tensión uniaxial _F_ de tracción. - Definimos tensión como el cociente entre la fuerza de tracción uniaxial _F_ y la sección transversal _A_, de la varilla: - $σ = \frac{F}{A}$ - La unidad de tensión en el Sistema Internacional es el pascal: 1 Pa = 1 N/m². - Cuando se aplica a una varilla una fuerza de tracción uniaxial, induce un alargamiento o elongación de esta en la dirección de la fuerza. - Este desplazamiento se llama deformación. - Por definición, deformación en ingeniería (ε) es el cociente entre el cambio de longitud en la dirección de la fuerza y la longitud original considerada: - $ε = \frac{ΔL}{L_o}$ - donde: - $L_o$ = longitud inicial de la muestra. - $L$ = nueva longitud de la muestra después de haber sido alargada por una fuerza de tracción uniaxial. - $ΔL$ = variación de la longitud de la muestra. - La unidad para la deformación en el Sistema Internacional de unidades es metro partido por metro (m/m). De este modo, la deformación resulta una magnitud adimensional. - En la práctica industrial, es habitual convertir la deformación en un porcentaje de deformación o porcentaje de alargamiento: - % deformación = Deformación * 100 = % alargamiento ## 2.2. Análisis de un diagrama de tracción - Los resultados obtenidos en la realización de un ensayo de tracción se representan en una gráfica en la que se reflejan los valores de las deformaciones (alargamientos) producidas (_Δl_) en el eje de abscisas, y las fuerzas de tracción aplicadas (_F_) en el eje de ordenadas. - Cada material presenta una gráfica de tracción característica con las siguientes particularidades: - **Zona donde las deformaciones son proporcionales a las tensiones de tracción que las producen.** - **Zona donde, a pequeñas variaciones de tensiones aplicadas, se generan grandes deformaciones.** - Estas deformaciones, que son, por tanto, no proporcionales. ## 32 - Esta información, aun siendo útil, no es suficiente desde el punto de vista práctico. - Se hace necesario un cambio de escala en abscisas y ordenadas, de tal manera que obtengamos una curva que relacione las tensiones de una sección transversal con las deformaciones relativas a la longitud inicial, llamadas alargamientos unitarios: - **Eje de abscisas**: ε = Δl/l - **Eje de ordenadas**: σ = F/A - teniendo en cuenta que: - ε= alargamiento unitario (adimensional). - Δl= l-lo = incremento de longitud. - σ = tensión en una sección transversal cuando se aplica una fuerza F. - A = sección inicial de la probeta. ## B. Tensión y deformación - Al estudiar este diagrama, podemos distinguir dos zonas fundamentales: - **Zona elástica** (OE): - Se caracteriza porque, al cesar las tensiones aplicadas, los materiales recuperan su longitud original lo. - **Zona plástica** (ES): - Se ha rebasado la tensión del límite elástico E, de forma que, aunque dejemos de aplicar tensiones de tracción, el material ya no recupera su longitud original. - Su longitud será algo mayor que l. - Diremos que el material ha sufrido deformaciones permanentes. - Dentro de la zona elástica se distinguen otras dos zonas: - **Zona de proporcionalidad** (OP): - Se trata de una recta, por lo que existe una proporcionalidad entre las tensiones aplicadas y los alargamientos unitarios. - Es la zona donde deben trabajar los materiales. - Matemáticamente se cumple: σ = cte ε - **Zona no proporcional** (PE): - El material se comporta de forma elástica, pero las deformaciones y tensiones no están relacionadas linealmente. - No es una zona aconsejable para trabajar los materiales, ya que no se puede controlar la relación deformación-tensión aplicada, aunque el material sea elástico. - Dentro de la zona plástica se distinguen otras dos zonas - **Zona límite de rotura** (ER): - Se produce un comportamiento muy similar a la anterior donde, a pequeñas variaciones de tensión, se producen grandes alargamientos. - La diferencia es que los materiales no tienen un comportamiento elástico, ya que se trata de la zona plástica donde las deformaciones son permanentes. - El límite de esta zona es el punto R, llamado límite de rotura, y a la tensión aplicada en dicho punto se la denomina tensión de rotura. - A partir de este punto, el material se considera roto, aunque no se haya producido la fractura visual. - **Zona de rotura** (RS): - Superado el punto R, aunque se mantenga constante o baje ligeramente la tensión aplicada, el material sigue alargándose progresivamente hasta que se produce la rotura física total en el punto S. - Este comportamiento de los materiales se puede generalizar. - No obstante, existen algunas excepciones. - Entre ellas se encuentra el acero, cuya gráfica del ensayo de tracción presenta una característica peculiar. - La existencia de una zona localizada por encima del límite elástico, donde se produce un alargamiento muy rápido sin que varíe la tensión aplicada. - Este fenómeno se conoce como fluencia, ya que el material fluye sin causa aparente. - El punto donde comienza dicho fenómeno se llama límite de fluencia (F) y la tensión aplicada en dicho punto, tensión de fluencia. ## Fig. 2.6. Diagrama de tracción σ - ε. ## Fig. 2.7. Diagrama de tracción del acero. Fenómeno de fluencia. - De la observación y el estudio de los diagramas de tracción se extrae como consecuencia que los puntos Py E son de difícil localización, lo que implica la imposibilidad de cuantificar sus tensiones correspondientes. - En cambio, los puntos S y R quedan fácilmente localizados en los diagramas. ## Fig. 2.8. Diagrama de tracción de algunos metales. ## A. Ley de Hooke - Las tensiones aplicadas sobre un elemento resistente son directamente proporcionales a las deformaciones producidas, dentro del comportamiento elástico de los materiales. - La ley de Hooke tiene un carácter general, pero se aplica preferentemente al ensayo de tracción, al ser el más representativo de todos ellos. - Según esta ley, las deformaciones producidas en un elemento resistente son proporcionales a las tensiones que las producen. - Matemáticamente, se puede enunciar mediante la ecuación - Tensión / Deformación = Constante = tan α - Ya conocemos que en la representación gráfica de un ensayo de tracción existe la llamada zona de proporcionalidad (OP), que abarca desde el origen de coordenadas hasta el límite de proporcionalidad y se representa por una recta. - En este caso, las fuerzas aplicadas se refiere a las fuerzas de tracción (F) y a las deformaciones producidas en los alargamientos (_ΔL_), de tal forma que se cumple (Fig. 2.9): - F/_ΔL_ = Constante tan α₁ = Constante - Si se aplica en el diagrama σ/ε = Constante = E. - $E = σ/ε$ - En esta representación, el valor de tanα, se conoce como módulo elástico o módulo de Young (_E_), que representa la pendiente de la curva tensión-deformación en la región elástica. - Es un parámetro característico de cada material, y se mide en kilopondios por centímetro cuadrado (kp/cm²). - Se mide en kilopondios por milímetro cuadrado (kp/mm²) o newtons por metro cuadrado (N/m²) como σ, ya que ε * es adimensional. - De esta forma, podemos definir la ley de Hooke en la tracción como sigue: - Los alargamientos unitarios (deformaciones) son proporcionales a las tensiones que los producen, cuya constante de proporcionalidad es el módulo elástico. - Matemáticamente, se expresa de la siguiente forma: - $E = σ/ε$ - Sustituyendo: σ = F/*A* Y ε = ΔL/*l*, obtenernos la ecuación fundamental de la tracción, que solo es aplicable en la zona de proporcionalidad, ya que, una vez rebasado dicho límite, el comportamiento no es lineal. - $E = \frac{F * l_o}{A * ΔL}$ ## B. Tensiones máximas de trabajo - Cuando se plantea el diseño de una pieza o elemento simple de una estructura, debemos tener presente el diagrama de las fuerzas que actúan sobre dicha pieza o elemento para determinar que no sobrepase el límite elástico. - Para solucionar este tipo de problemas, la normativa establece **una tensión máxima de trabajo** (σt), que definiremos como el límite de carga al que podemos someter una pieza o elemento simple de estructura. - Cuantitativamente, el valor de esta tensión es inferior a la tensión correspondiente al límite de proporcionalidad (Fig. 2.10). - A la hora de diseñar una pieza o elemento se debe tener en cuenta la tensión de seguridad. - Para garantizar que un material va a trabajar en la zona elástica, se aplica un coeficiente de seguridad, de modo que la tensión de trabajo siempre debe ser inferior a la tensión del límite elástico σe (n puede valer entre 1,2 y 4,0). - Esta tensión siempre es inferior a la del límite de proporcionalidad. - η = σt/σe ## 2.3. Ensayos de dureza - La dureza es la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro. - La propiedad mecánica que se determina a través de los ensayos de dureza es la cohesión. - Entre las técnicas cuantitativas para determinar la dureza de los materiales, se encuentran los ensayos de penetración. - Se basan en un pequeño penetrador que es forzado sobre la superficie del material a ensayar en condiciones controladas de carga y velocidad de aplicación. - Se mide la profundidad o el tamaño de la huella resultante. - Las durezas así medidas tienen solamente un significado relativo (no absoluto), y es necesario tener precaución al comparar las durezas obtenidas por técnicas distintas. - La dureza, por definición, es una propiedad de la capa superficial del material, y no una propiedad del material en sí. - Los métodos de determinación de la dureza usando penetradores presuponen la presencia de esfuerzos de contacto, por lo tanto, la dureza puede ser cuantificada dentro de una escala. ## A. Ensayo Brinell - Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, contra el material que se va a ensayar, por medio de una carga (F) y durante un tiempo determinado. - Se muestra gráficamente el ensayo Brinell en la Figura 2.11. - Se mide el diámetro de la huella y se calcula la dureza del material, en función de la carga aplicada y del área del casquete de la huella, según la ecuación: - HB = F/S - donde: - HB= dureza en grados Brinell. - F = carga aplicada (kg). - S = área del casquete (mm²). - La superficie del casquete de la huella es: - S = D*f - donde: - D = diámetro de la bola (mm). - f= profundidad de la huella (mm). - Para determinar _f_ partimos de la relación entre el diámetro de la bola _D_ y el diámetro de la huella _d_: - $(D/2)^2-(d/2)^2 = (D/2-f)^2$ - Con este valor, podemos obtener la superficie de la huella en función de los diámetros de la bola y de la huella: - $S = (D - \sqrt{D^2 - d^2})$ - Por tanto, la dureza Brinell se puede calcular de la siguiente forma: - $HB = \frac{2*F}{D^2 - \sqrt{D^2 - d^2}}$ - Generalmente, no se calcula la dureza Brinell aplicando la fórmula, sino por medio de tablas en las que, conocido el diámetro de la huella, *se encuentra directamente el valor de la dureza.* - En la Tabla 2.3 se pueden ver las constantes de proporcionalidad utilizadas para la determinación de cargas que deben aplicarse en el ensayo de Brinell. ## Fig 2.11. Esquema gráfico del ensayo Brinell. ## Tabla 2.3. Constantes de proporcionalidad. ## B. Ensayo Vickers - Para este ensayo, el penetrador que se utiliza es una pirámide regular de base cuadrada, cuyas caras laterales forman un ángulo de 136° (Fig. 2.12). - Se recomienda utilizar este ensayo para durezas superiores a 500 HB. - Presenta ventajas respecto al ensayo anterior, porque se puede usar tanto para materiales duros como blandos, y, además, los espesores de las piezas pueden ser muy pequeños (hasta 0,05 mm). - Las cargas que se utilizan son muy pequeñas, de 1 a 120 kg, aunque lo normal es emplear 30 kg. - El grado de dureza Vickers (HV) se obtiene de modo similar al Brinell: - $HV = 1,8453 * \frac{F}{d^2}$ - donde: - HV = dureza en grados Vickers. - F = carga aplicada sobre el penetrador (pirámide), en kp. - d = diagonal de la huella, en mm. ## Fig 2.12. Esquema gráfico del ensayo de dureza Vickers. ## C. Ensayo Rockwell - El método Brinell no permite medir la dureza de los aceros templados, porque se deforman las bolas. - Se utiliza la máquina Rockwell. - No obstante, *a diferencia de los anteriores, se determina la dureza en función de la profundidad de la huella* (Fig. 2.13). - *Se trata de un ensayo muy rápido y fácil de realizar, pero menos preciso que los anteriores*. - Es válido para materiales blandos y duros. ## Fig 2.13. Esquema gráfico del ensayo Rockwell. - Se utiliza un penetrador en forma de bola para materiales blandos, con lo que se obtiene el grado de dureza Rockwell bola (HRB), o bien con un cono de diamante de 120° para materiales duros, del que resulta el grado de dureza Rockwell cono (HRC). - Para la realización del ensayo Rockwell deben seguirse estas normas (UNE 7-424-89): 1. Se aplica una carga de 10 kp al penetrador (cono o bola), hasta conseguir una pequeña huella. Se mide su profundidad h₁, que se toma como referencia, colocando el comparador de la máquina a cero. 2. Se aumentan las cargas en 90 kp para el penetrador de bola y 140 kp para el de cono; se mantiene la carga un tiempo comprendido entre 3 y 6 segundos, y se mide la profundidad producida h₂. 3. Se retiran las cargas adicionales. El penetrador se recuperará y ascenderá hasta la posición h₁ + e. El valor de e no es 0, ya que las deformaciones que se producen en el material son plásticas y elásticas, y al dejar de aplicar las cargas adicionales permanecen únicamente las deformaciones permanentes o plásticas, cuyo valor es e. - La dureza Rockwell no se expresa directamente en unidades de penetración, sino por el valor de la diferencia entre dos números de referencia: - Dureza Rockwell HRB = 130 - e - Dureza Rockwell HRC = 100 - e - La amplitud de la escala de medida de las máquinas es de 0,2 mm, y cada unidad *e* equivale a 0,002 mm = 2 micrómetros. La lectura se realiza directamente sobre el comparador, ampliando el recorrido del penetrador a una escala de 1:5. - **La justificación de expresar la dureza de esta forma se basa en que los materiales blandos tienen menos dureza *que* los duros, cosa que no ocurre si la dureza se mide directamente en unidades *e*.** - Tanto la resistencia a la tracción como la dureza son indicadores de la resistencia de un metal *a* la deformación plástica. - Por consiguiente, estas propiedades son, *en muchos casos*, proporcionales. - Como regla general, *para la mayoría de los aceros*, la dureza Rockwell HRB y la resistencia a la tracción Testán relacionadas de esta forma: - T(psi) = 500 HRB - T(MPa) = 3,45 * HRB ## Fig. 2.14. Máquina fija para medida de la dureza. ## Fig. 2.15. Máquina portátil para medida de la dureza. ## 2.4. Ensayo de resiliencia - El objetivo del ensayo es conocer la energía que puede absorber un material al recibir un choque o impacto sin llegar a romperse de un solo golpe. - La máquina más utilizada es el péndulo de Charpy. - Consta de un brazo giratorio con una maza en su extremo. - Se hace incidir sobre la probeta provocando su rotura. - Las probetas están normalizadas, tienen una sección cuadrada y en el punto medio están entalladas en forma de U o de V. - El péndulo de masa _m_ se encuentra a una altura inicial _H_, por lo que tiene una determinada energía potencial antes de iniciar el ensayo. - Al liberar el péndulo, golpea la probeta y la rompe, y continúa con su giro hasta alcanzar una altura final _h_ con una nueva energía potencial. - La energía que ha absorbido la probeta durante su rotura será la diferencia de energías potenciales inicial y final. - La resiliencia se obtiene de la siguiente forma: - $ρ = \frac{ΔE}{S}$ - $ρ = \frac{m*g*(H-h)}{S}$ - donde: - ρ = resiliencia. - E = energía potencial. - H = altura inicial. - h = altura final. - S = sección de la probeta. ## Fig 2.16. Péndulo de Charpy y probeta. ## 2.5. Ensayos de fatiga - Cuando determinadas piezas están sometidas a esfuerzos variables en magnitud y sentido *que* se repiten con cierta frecuencia, se pueden romper con cargas inferiores a las de rotura. - Incluso cuando se trabaja por debajo del límite elástico, siempre que las cargas actúen durante *un* tiempo suficiente. - A *este* fenómeno se le conoce con el nombre de fatiga. - Las leyes fundamentales de la fatiga son las siguientes: 1. Las piezas metálicas pueden romperse bajo esfuerzos unitarios inferiores a su carga de rotura, e incluso a su límite elástico, *si el esfuerzo se repite un número suficiente de veces.* 2. Para que la rotura no tenga lugar, con independencia del número de ciclos, *es necesario que la diferencia entre la carga máxima y la mínima sea inferior a un determinado valor*, llamado **límite de fatiga**. - Los ensayos de fatiga más habituales son los de **flexión rotativa y torsión**. ## Fig. 2.17. Dispositivo para el ensayo de fatiga de una pieza en voladizo. - Regulando la frecuencia de giro del motor se controla la frecuencia de los esfuerzos, que cambiarán alternativamente de tracción a compresión y viceversa. - *Las roturas de las piezas por fatiga presentan dos zonas bien definidas*: - **Una de grano fino mate y distribución ondular que parece surgir de un punto defectuoso** y **otra de grano grueso brillante que indica la rotura final.** ## 2.6. Ensayos tecnológicos - Este grupo de ensayos se diferencia fundamentalmente del resto en el hecho de que, con ellos, no se pretende obtener valores cuantitativos en cálculos numéricos, sino que únicamente sirven *para* estudiar el comportamiento del material ante *un* fin al que se destina. - *En consecuencia, el ensayo reproduce, a escala conveniente, las condiciones prácticas en las que se encontrará el material*. - *A continuación, se muestran dos ejemplos de ensayos tecnológicos*. - **Ensayo de plegado**: Sirve para estudiar las características de plasticidad de los materiales metálicos. - Se doblan las probetas en condiciones normalizadas y se observa si aparecen grietas en la parte exterior de la curva, donde los esfuerzos de tracción son elevados. - El ensayo se puede realizar en frío o en caliente, según condiciones normalizadas. - Las probetas son prismáticas, de sección rectangular, pulidas, y la cara de tracción tiene *las* aristas redondeadas. - *El ensayo se puede llevar a cabo de tal forma que las caras de la probeta queden como se muestra en la Figura 2.18*. - **Ensayo de embutición**: Es uno de los más importantes para las planchas, pues es conveniente conocer *el grado de embutido*. - El ensayo consiste en presionar *un* vástago sobre la *chapa* hasta que se produce la primera grieta. - Se comprueba el grado de embutición midiendo la penetración en milímetros *del* punzón o vástago hasta la aparición de la primera grieta (Fig. 2.19). ## Fig. 2.18 Ensayo de plegado. ## Fig. 2.19. Ensayo de embutición. ## 39