La descarga está en progreso. Por favor, espere

La descarga está en progreso. Por favor, espere

Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia UNIDAD 6 Ensayos Mecánicos.

Presentaciones similares


Presentación del tema: "Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia UNIDAD 6 Ensayos Mecánicos."— Transcripción de la presentación:

1 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia UNIDAD 6 Ensayos Mecánicos

2 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Efecto de una fuerza sobre un sólido Esfuerzo. La magnitud del efecto es directamente proporcional a F e inversamente proporcional a A

3 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Los materiales poseen una serie de características, entre las cuales destacan las propiedades mecánicas, tales como: Ductilidad Maleabilidad Resistencia Dureza Tenacidad Existen ensayos que permiten determinar el comportamiento de un material ante la aplicación de una carga. Los resultados de estas pruebas constituyen las propiedades mecánicas del material. Es conveniente, entonces, aclarar algo el significado de estos términos.

4 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Ductilidad: capacidad que tiene un material para deformarse sin romperse cuando está sometido a esfuerzos de tracción; por ejemplo en el estirado de un alambre. Maleabilidad: capacidad que presenta el material para soportar deformación sin rotura sometido a compresión, caso de forja o laminado. Elasticidad: capacidad de un material que ha sido deformado para regresar a su estado y tamaño original, cuando cesa la acción que ha producido la deformación. Cuando el material se deforma permanentemente, de tal manera que no pueda regresar a su estado original, se dice que ha pasado su límite elástico.

5 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Dureza: Mide la resistencia a la penetración sobre la superficie de un material, efectuada por otro material. Resistencia: se definen varias; por ejemplo, resistencia a la tracción es la carga (Fuerza) máxima por unidad de área que puede soportar el material al ser estirado. Los valores de resistencia son utilizados en todo lo que se refiere a diseño. Fragilidad: Lo opuesto a ductilidad. Un material frágil no tiene resistencia a cargas de impacto y se fractura aún en cargas estática sin previo aviso. Tanto la fragilidad como la ductilidad de un material son mediadas arbitrarias, pero puede decirse que un material con un alargamiento mayor de 5% es dúctil y menor de 5% es frágil. Se pueden clasificar los materiales en frágiles y dúctiles, habiendo dentro de ellos diferentes grados.

6 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Tenacidad: Es la energía absorbida por el material durante el proceso de deformación y ruptura; está directamente relacionada con la resistencia y ductilidad. Por ejemplo, el vidrio, el hierro fundido y el acero endurecido son poco tenaces, porque sus ductilidades son muy bajas y en algunos casos casi cero, aunque tienen una buena resistencia (bastantes duros). Un metal como el cobre es bastante tenaz, pues tiene una buena resistencia y buena ductilidad. Mientras que una "goma de mascar" tiene menos tenacidad, ya que aunque la ductilidad es enorme su resistencia es muy baja.

7 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Plasticidad: Es la habilidad de un material para adoptar nuevas formas bajo la presión y retener esa nueva forma. El rango de adaptación puede variar considerablemente de acuerdo con el material y sus condiciones. Esfuerzo: Fuerza aplicada a un área conocida.

8 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Ensayos Mecánicos. Tensión (tension test) Dureza (hardness test) Torsión (torsion test) Fractura (fracture mechanics) Fatiga (fatigue) Creep (Creep and stress rupture) Impacto y fractura frágil (brittle fracture and impact testing) Composición Microestructura

9 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Ensayo de tensión El Ensayo de tracción se realiza bajo la norma ASTM E-8 ASTM A 370, o bien la norma chilena NCH 200, entre otras.

10 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Se coloca una probeta estándar (0,505 pulg de diámetro y longitud calibrada de 2 pulg) en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. Equipamiento para el ensayo de tensión

11 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia

12 Esquema de probetas que se utilizan en el ensayo de tracción

13 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Probetas normalizadas.

14 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Esfuerzo y deformación ingenieriles Los resultados de un ensayo se aplican a todos los tamaños y secciones transversales de un material, siempre que la fuerza se convierta en esfuerzo y la distancia entre las marcas de calibración se conviertan en deformación Esfuerzo ingenieril Deformación ingenieril A 0 : área sección transversal original I o : distancia original entre marcas de calibración I: cambio de longitud después de haber aplicado el esfuerzo

15 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Curva esfuerzo deformación para una aleación de aluminio

16 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Curvas tensión deformación de algunos metales y aleaciones

17 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Propiedades obtenidas en el ensayo de tensión Esfuerzo de cedencia (esfuerzo de fluencia): esfuerzo que divide los comportamientos elásticos y plásticos del material. El valor crítico del esfuerzo necesario para iniciar la deformación plástica se llama límite elástico del material. En los materiales metálicos es el esfuerzo necesario para iniciar el movimiento de las dislocaciones. El límite elástico puede definirse como el esfuerzo mínimo al que ocurre la primera deformación permanente.

18 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia

19 Resistencia a la tensión (resistencia a la tracción): esfuerzo obtenido con la máxima fuerza aplicada Es el esfuerzo máximo, basado en la sección transversal original, que puede resistir un material. Es el esfuerzo en el cual comienza la estricción en los materiales dúctiles Deformación localizada durante el ensayo de tensión de un material dúctil, produciendo una región de cuello

20 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Esfuerzo de ruptura: es el esfuerzo basado en la sección original, que produce la fractura del material La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la fuerza deje de subir. Al adelgazarse la probeta, la fuerza queda aplicada en menor área, provocando la ruptura. Esquema de la secuencia de ruptura de las probetas en un ensayo de tracción

21 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Módulo de elasticidad o módulo de Young (E): es el valor de la pendiente de la parte recta del diagrama esfuerzo v/s deformación unitaria Ley de Hooke Es una medida de la rigidez de un material

22 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Tiene una estrecha relación con la energía de enlace atómico, por lo tanto es mayor para materiales de punto de fusión alto. Un alto módulo de elasticidad indica que se necesitan grandes fuerzas para separar los átomos y producir la deformación elástica del metal.

23 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Resiliencia Es la capacidad de un material para absorber energía cuando es deformado elásticamente y devolverla cuando se elimina la carga Módulo de resiliencia: Corresponde a la energía de deformación por unidad de volumen requerida para deformar el material hasta el límite elástico

24 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia

25 Tenacidad a la tensión: capacidad de absorber energía en el campo plástico, antes de fracturarse (trabajo de fractura). Se determina como el área bajo la curva esfuerzo- deformación ingenieril. Esta superficie es una indicación del trabajo total, por unidad de volumen que puede realizarse sobre el material sin que se produzca rotura Comparación de las curvas tensión-deformación de dos aceros, con alta tenacidad y baja tenacidad

26 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Ductilidad: mide la cantidad de deformación que puede resistir un material sin romperse. El % de elongación describe la deformación plástica permanente antes de la falla. La reducción porcentual del área describe la cantidad de adelgazamiento que sufre la muestra durante el ensayo

27 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Comportamiento dúctil y frágil El comportamiento de los materiales bajo carga se puede clasificar como dúctil o frágil según que el material muestre o no capacidad para sufrir deformación plástica. a) acero dúctil b) un acero frágil.

28 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Propiedades típicas promedio de algunos materiales metálicos Material F (Mpa) M (Mpa) E (Gpa) Acero inoxidables280 – – – 210 Acero alta resistencia – – 210 Bronce comercial82 – – – 44 Latón laminado70 – – – 41 Aluminio 2014-T Cobre – 47

29 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia El efecto de la temperatura (a) sobre la curva esfuerzo-deformación (b) sobre las propiedades de tensión de una aleación de aluminio Variables que afectan a la curva de tensión: Temperatura

30 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Curva esfuerzo deformación acero de baja aleación

31 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Ensayo de Compresión Un ensayo de compresión se realiza de forma similar a un ensayo de tracción, excepto que la fuerza es compresiva y la probeta se contrae a lo largo de la dirección de la fuerza. Esfuerzo ingenieril Deformación ingenieril A 0 : área sección transversal original I o : distancia original entre marcas de calibración I: cambio de longitud después de haber aplicado el esfuerzo Por convención, una fuerza de compresión se considera negativa y, por tanto, produce un esfuerzo negativo.

32 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia

33 Los ensayos de compresión se utilizan cuando se desea conocer el comportamiento del material bajo grandes deformaciones permanentes (deformación plástica), tal como ocurren en los procesos de conformación, o bien cuando tiene un comportamiento frágil a tracción

34 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Las conclusiones sobresalientes de estas pruebas las podemos resumir en la siguiente forma: Los materiales dúctiles presentan los mismos valores en sus características tanto en tensión como en compresión. Los materiales frágiles no presentan punto de fluencia en ningún caso y el esfuerzo de ruptura coincide con el esfuerzo máximo. Los materiales frágiles presentan una resistencia máxima mucho mas elevada en compresión que en tensión. Por ejemplo, en el caso de la fundición gris, esta relación es aproximadamente 4:1.

35 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Ensayo de dureza La dureza implica, en general, una resistencia a la deformación permanente. Puede significar: Resistencia a la penetración (mecánica del ensayo de materiales) Resistencia y tratamiento térmico (ingeniero de diseño) Según la forma del ensayo: Dureza al rayado Dureza a la penetración Dureza al rebote o dinámica

36 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Dureza por indentación es la resistencia de un material a ser indentado o penetrado. Es el tipo usual de ensayo de dureza, en el cual se presiona, directamente o por un sistema de palanca, un indentador cónico o redondo sobre la superficie bajo una carga conocida substancialmente estática. La dureza se expresa, para una carga y marcador especificados, por un número inversamente proporcional a la profundidad de la indentación o proporcional a una carga media sobre el área de huella. Resistencia a la Indentación

37 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Ensayo de dureza Rockwell Ensayo de dureza Brinell Ensayo de dureza Vickers

38 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Dureza Brinell El ensayo consiste en comprimir sobre la superficie del metal, una bola de acero de 10 mm de diámetro con una carga de 3000 kg. - En los materiales blandos, se reduce la carga a 500 kg. - En metales muy duros se emplea una bola de carburo de wolframio La carga se aplica por un periodo de tiempo normalizado, generalmente de 30 seg, luego se mide la huella con un microscopio.

39 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia F : carga aplicada en kg D : diámetro del penetrador en mm D i : diámetro de la impresión en mm Dureza Brinell: (kg/mm 2 ) Esquema del ensayo de dureza Brinell Resistencia a la tensión = 500 BHN.

40 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Dureza Vickers Se emplea como identador una pirámide de diamante de base cuadrada, las caras opuestas de la pirámide forman un ángulo de 136º (corresponde a la relación óptima de diámetro de huella a diámetro de bola en el ensayo Brinell) Se define como la relación de la carga al área de la superficie de la huella. Sus cargas van de 5 a 125 kilogramos (de cinco en cinco). Se emplea Vickers para laminas tan delgadas como pulgadas

41 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia P: carga aplicada en kg L: media de la longitud de las dos diagonales en mm : ángulo formado por las caras opuestas de la pirámide diamante = 136º

42 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Dureza Rockwell El ensayo utiliza la profundidad de la penetración bajo carga constante, como medida de la dureza. La maquina de ensayo mide en forma automática la profundidad de penetración del indentador, y la convierte en un número de dureza Rockwell (HR)

43 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia El ensayo es aplicable a todo tipo de materiales metálicos: a)Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar al del ensayo Brinell. b)Duros. Se utiliza como penetrador un cono de diamante de 120° de ángulo de vértice redondeado en la punta. Se usan cargas normalizadas de 60, 100 y 150 kilogramos c)Pequeños espesores en materiales blandos o duros. Es el caso de flejes, chapas delgadas o también sobre capas endurecidas, cementadas o nitruradas. En este supuesto se usa la modalidad de pequeñas cargas especificadas en la norma, 3 kilogramos de precarga y 15, 30 o 45 kilogramos de carga. Se conoce este tipo de ensayos como Rockwell superficial.

44 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia ESCALA CARGA (kg) PENETRADOR MATERIALES TIPICOS PROBADOS A60Cono de diamante Materiales duros en extremo, carburos de wolframio, etc. B100Bola de 1/16" Materiales de dureza media, aceros al carbono bajos y medios, latón, bronce, etc. C150Cono de diamante Aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y revenidas. D100Cono de diamanteAcero superficialmente cementado. E100Bola de 1/8" Hierro fundido, aleaciones de aluminio y magnesio. F60Bola de 1/16"Bronce y cobre recocidos. G150Bola de 1/16"Cobre al berilio, bronce fosforoso, etc. H60Bola de 1/8"Placa de aluminio. K150Bola de 1/8"Hierro fundido, aleaciones de aluminio. L60Bola de 1/4" Plásticos y metales suaves, como el plomo. Ensayos Rockwell normalizados.

45 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia

46

47

48 (Norma ASTM E-23) Ensayo de impacto (Norma ASTM E-23) Cuando un material se somete a un golpe repentino y violento, donde la velocidad de deformación es extremadamente rápida, se puede comportar en una forma mucho más frágil que la que se observa en el ensayo de tensión. Se utiliza el ensayo de impacto para evaluar la fragilidad de un material. Ensayo de Charpy: metales, aleaciones, cerámicas Ensayo de Izod: plásticos

49 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia El ensayo de impacto (a) ensayo de Charpy e Izod (b) dimensiones de muestras normales

50 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Durante el ensayo, un péndulo pesado (45 kg) que inicia su movimiento a una altura h 0, describe un arco, golpea y rompe la probeta, y llega a una altura final h f menor. Si se conocen las alturas inicial y final del péndulo, se puede calcular la diferencia de la energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto que absorbió la muestra cuando falló

51 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia La probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de la fisura. Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse. Fotografías de probetas, antes y después del ensayo

52 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Ensayo de Charpy: joule (J), lb pie Ensayo de Izod: J/m, lb pie/pulg 1 lb pie = 1,356 J Los valores obtenidos en este ensayo pueden diferir fuertemente si se realiza a diferentes temperaturas La capacidad de un material para resistir el impacto de un golpe se llama tenacidad al impacto

53 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Propiedades que se obtienen en el ensayo de impacto: Temperatura de transición de dúctil a frágil: es aquella a la cual un material cambia de un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil. Un material sujeto a cargas de impacto durante las condiciones de servicio deberá tener una temperatura de transición por debajo de la temperatura de operación determinada por el ambiente que rodea al material.

54 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Ensayos de impacto para un polímero termoplástico de nylon supertenaz

55 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia No todos los materiales tienen una temperatura de transición definida La estructura cristalina FCC normalmente absorbe mayor energía, sin mostrar temperatura de transición

56 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Influencia del contenido de carbono sobre el comportamiento dúctil- frágil de un acero de baja aleación:

57 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Relación con el diagrama esfuerzo-deformación: La energía necesaria para romper un material durante un ensayo de impacto, es decir, la tenacidad al impacto, no siempre se relaciona con la tenacidad a la tensión (es decir, el área contenida dentro del diagrama esfuerzo-deformación real) En general, los metales que tienen alta resistencia y gran ductilidad, tienen buena tenacidad a la tensión, sin embargo, pueden presentar comportamiento frágil cuando están sujetos a velocidades de deformación alta, es decir, pueden mostrar pobre tenacidad al impacto, ya que la velocidad de deformación puede desplazar la transición de dúctil a frágil. Los cerámicos y muchos materiales compuestos tienen normalmente tenacidad muy baja, aunque alta resistencia.

58 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Ensayo de Tenacidad Liberty Ships: 2700 fabricados 400 fisurados 20 se partieron en dos Titanic

59 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia

60 Ejemplo: Se obtuvieron los siguientes datos de tensión-deformación de un acero o,2% C Esfuerzo (ksi) Deformación Esfuerzo (ksi) Deformación ,001 0,002 0,005 0,01 0,02 0,04 0, ,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,19 (fractura)

61 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia a)Dibuje la curva tensión-deformación b)Determine la resistencia de cedencia con el criterio del 0,2% de deformación convencional c)Determine la resistencia a la tracción del acero d)El módulo de elasticidad e)Módulo de resistencia

62 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Ejemplos 1.Se aplica una fuerza de 850 lb a un alambre de níquel de 0,15 pulg de diámetro, que tiene una resistencia de cedencia de psi y una resistencia a la tensión de psi. Determine: a)Si el alambre se deformará plásticamente b)Si el alambre tendrá formación de cuello 2. Una probeta de acero al carbono 1030 de 0,50 pulg. de diámetro se ensaya hasta la fractura. El diámetro de la probeta en la zona de la fractura fue de 0,343 pulg. Calcule el porcentaje de estricción de la muestra.

63 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia 3. Un cable de acero tiene 1,25 pulg de diámetro y 50 pies de longitud, y con él se levanta una carga de 20 toneladas. ¿Cuál es la longitud del cable durante el izamiento? El módulo de elasticidad del acero es 30 x 106 psi. 4. Cuando se aplica una carga de kg a una esfera de 10 mm de diámetro en un ensayo Brinell de un acero, se produce una penetración de 3,1 mm de diámetro. Estime la resistencia del acero a la tensión.

64 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia 5. Se efectúo una serie de ensayos de impacto Charpy sobre cuatro aceros, con distinto contenido de magnesio, cuyos resultados se muestran en tabla 1. Grafique los datos y determine: a)La temperatura de transición (determinada como la media de las energías absorbidas en las regiones dúctil y frágil) b)La temperatura de transición (definida como la temperatura que proporcionan 50 J de energía absorbida) c)Grafique la temperatura de transición en función del contenido de magnesio y analice el efecto de este elemento sobre la tenacidad del acero. ¿Cuál sería el contenido de magnesio mínimo posible en el acero si una pieza fabricada con él debe utilizarse a 0 ºC?

65 Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia Tabla 1: Resultados de ensayo de Charpy


Descargar ppt "Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia UNIDAD 6 Ensayos Mecánicos."

Presentaciones similares


Anuncios Google