UNIDAD 6 Ensayos Mecánicos

Efecto de una fuerza sobre un sólido Esfuerzo. La magnitud del efecto es directamente proporcional a F e inversamente proporcional a A

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

Equipamiento para el ensayo de tensión 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.

Esquema de probetas que se utilizan en el ensayo de tracción

Probetas normalizadas.

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 A0: área sección transversal original Io: distancia original entre marcas de calibración I: cambio de longitud después de haber aplicado el esfuerzo Esfuerzo ingenieril Deformación ingenieril

Curva esfuerzo deformación para una aleación de aluminio

Curvas tensión deformación de algunos metales y aleaciones

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.

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

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

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

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.

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

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

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

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.

Propiedades típicas promedio de algunos materiales metálicos F (Mpa) M (Mpa) E (Gpa) Acero inoxidables 280 – 700 400 – 1000 190 – 210 Acero alta resistencia 340 - 1000 550 – 1200 Bronce comercial 82 – 690 200 – 830 36 – 44 Latón laminado 70 – 550 200 – 620 36 – 41 Aluminio 2014-T6 410 480 28 Cobre 55 - 760 230 - 830 40 – 47

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

Curva esfuerzo deformación acero de baja aleación

Deformación ingenieril 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. A0: área sección transversal original Io: distancia original entre marcas de calibración I: cambio de longitud después de haber aplicado el esfuerzo Esfuerzo ingenieril Deformación ingenieril Por convención, una fuerza de compresión se considera negativa y, por tanto, produce un esfuerzo negativo.

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

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.

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

Resistencia a la Indentación 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.

Ensayo de dureza Rockwell Ensayo de dureza Brinell Ensayo de dureza Vickers

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.

Resistencia a la tensión = 500 BHN. Esquema del ensayo de dureza Brinell Dureza Brinell: (kg/mm2) F : carga aplicada en kg D : diámetro del penetrador en mm Di : diámetro de la impresión en mm Resistencia a la tensión = 500 BHN.

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 0.006 pulgadas

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

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)

El ensayo es aplicable a todo tipo de materiales metálicos: Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar al del ensayo Brinell. 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 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.

Ensayos Rockwell normalizados. MATERIALES TIPICOS PROBADOS ESCALA  CARGA (kg)  PENETRADOR  MATERIALES TIPICOS PROBADOS A 60 Cono de diamante Materiales duros en extremo, carburos de wolframio, etc. B 100 Bola de 1/16" Materiales de dureza media, aceros al carbono bajos y medios, latón, bronce, etc. C 150 Aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y revenidas. D Acero superficialmente cementado. E Bola de 1/8" Hierro fundido, aleaciones de aluminio y magnesio. F Bronce y cobre recocidos. G Cobre al berilio, bronce fosforoso, etc. H Placa de aluminio. K Hierro fundido, aleaciones de aluminio. L Bola de 1/4" Plásticos y metales suaves, como el plomo.

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

El ensayo de impacto (a) ensayo de Charpy e Izod (b) dimensiones de muestras normales

Durante el ensayo, un péndulo pesado (45 kg) que inicia su movimiento a una altura h0, describe un arco, golpea y rompe la probeta, y llega a una altura final hf 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

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

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

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.

Ensayos de impacto para un polímero termoplástico de nylon supertenaz

No todos los materiales tienen una temperatura de transición definida La estructura cristalina FCC normalmente absorbe mayor energía, sin mostrar temperatura de transición

Influencia del contenido de carbono sobre el comportamiento dúctil-frágil de un acero de baja aleación:

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.

Ensayo de Tenacidad Titanic Liberty Ships: 2700 fabricados 400 fisurados 20 se partieron en dos Titanic

Ejemplo: Se obtuvieron los siguientes datos de tensión-deformación de un acero o,2% C Esfuerzo (ksi) Deformación Esfuerzo (ksi) 30 55 60 68 72 74 75 0,001 0,002 0,005 0,01 0,02 0,04 0,06 76 73 69 65 56 51 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,19 (fractura)

Dibuje la curva tensión-deformación Determine la resistencia de cedencia con el criterio del 0,2% de deformación convencional Determine la resistencia a la tracción del acero El módulo de elasticidad Módulo de resistencia

Ejemplos 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 45.000 psi y una resistencia a la tensión de 55.000 psi. Determine: Si el alambre se deformará plásticamente 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.

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 3.000 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.

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: La temperatura de transición (determinada como la media de las energías absorbidas en las regiones dúctil y frágil) La temperatura de transición (definida como la temperatura que proporcionan 50 J de energía absorbida) 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?

Tabla 1: Resultados de ensayo de Charpy