cap 2 ensayo de materiales_2014
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UNITRANSCRIPT
ENSAYO DE MATERIALES
Ing. Luis A. Sampén Alquizar
Objetivos:
Aprender los diferentes tipos de ensayos
de materiales y su campo de aplicación.
Comprender los principios de los ensayos
de materiales
Encontrar propiedades mecanicas
analizando los resultados obtenidos
mediante los ensayos: tracción, dureza e
impacto.
Ensayo de Materiales
Es un conjuntos de procedimientos normalizadosque se realiza para conocer o comprobar laspropiedades, características y defectos en losmateriales.
Dichos ensayos son regulados por :
Perú : INDECOPI Japón : JIS
USA : ASTM Rusia :GOST
Alemania : DIN España : UNE
Inglaterra : BS Francia: AFNOR
Los ensayos se dividen en:
Ensayos Destructivos
Ensayos no Destructivos
También se clasifican:
Físicos
Químicos
Mecánicos
Los ensayos físicos miden cantidades como ladensidad, propiedades eléctricas, magnéticas,térmicas y ópticas.
En la ingeniería son importantes los ensayosmecánicos, y los ensayos de inspección (comoEND) que detectan discontinuidadessuperficiales o interiores.
Los ensayos químicos más importantes para laingeniería son los de oxidación y corrosión.
Tipos de Ensayos
1. Ensayo de Constitución
2. Ensayos Mecánicos
3. Ensayos No Destructivos
4. Ensayos Tecnológicos
1. Ensayos de ConstituciónCuyo fin es conocer la composición y la estructurainterna de los materiales
a. Análisis Químico: Determina que elementosconstituyen un material, así como su cantidad,normalmente expresada en % en peso.
b. Difracción de Rayos X: se emplea para determinarlas características del arreglo atómico que presentenlos materiales.
c. Análisis Macrográfico: se realiza a simple vista oempleando pequeños aumentos menores a 100(<100 x)
d. Análisis Micrográfico: estudia la microestructurade un material a aumentos mayores a 100 (>100x).Esto revelara el tratamiento mecánico o térmico quepresente un metal.
2. Ensayos Mecánicos
Determinan propiedades mecánicas de
los materiales, mediante el estudio de su
comportamiento ante la aplicación de
una fuerza externa, por lo general hasta
que falle.
Los ensayos mecánicos se dividen en:
a. Estáticos
b. Dinámicos
a. Estáticos
Cuando la fuerza se aplica durante un periodo de tiempo
relativamente largo (s, m, h, etc), cuyo valor puede aumentar
progresivamente o ser constante durante todo el ensayo.
1. Ensayo de Tracción: se realiza para determinar la resistencia
mecánica y la ductilidad.
2. Ensayo de Dureza: en los metales es una medida de su resistencia a
ser deformados permanentemente.
3. Creep (termofluencia): se emplea para estudiar el
comportamiento de un material cuando va a estar sometido a
fuerzas de tracción a altas temperaturas durante un periodo de
tiempo relativamente alto.
4. Flexión: se realiza en una barra (sección cuadrada, rectangular o
circular) la cual se encuentra apoyada simplemente en ambos
externos y por el lado opuesto se le aplica una fuerza la que
aumenta.
b. Dinámicos
Cuando la velocidad de aplicación de la fuerza se realiza con elevada
rapidez.
1. Impacto: Estudio del comportamiento mecánico de los materiales
sometidos a fuerzas de impacto. Las piezas que forman parte de las
maquinas, muchas veces sometidas a fuerzas dinámicas, chocan entre
ellas y se produce el desgaste.
2. Fatiga: cuando es necesario complementar los ensayos de tracción
con los ensayos de fatiga, cuando las piezas trabajan bajo la acción de
fuerzas intermitentes (que fluctúan con el tiempo). Las fuerzas
aplicadas durante el ensayo pueden ser de tracción-compresión
repetidamente hasta llegar a la rotura de la probeta.
3. Ensayos No Destructivos(NDT)
Detectar discontinuidades como: poros, fisuras,
etc. en la superficie o en el interior de los
materiales que no pueden ser detectados en la
inspección visual.
Estas pruebas son realizadas antes, durante el
proceso de fabricación y/o cuando están
terminadas.
3.a)Métodos Superficiales y
Subsuperficiales, Detecta y localiza
discontinuidades superficiales o hasta 3mm por
debajo de la superficie.
1. Inspección Visual
2. Líquidos Penetrantes
3. Partículas Magnéticas
Liquido Penetrante Primero Limpiar la superficie a examinar, Luego
aplicar el LP y esperar 10 a 20 min para quepenetre en las discontinuidades.
Se retira el LP que no penetro en lasdiscontinuidades, luego se aplica el revelador queactuara como una esponja, y finalmenterealizaremos la inspección.
Inspección:LP rojo Ojo Humano
LP Fluorescente Lámpara luz Ultravioleta
Partícula Magnética
Permite detectar la presencia dediscontinuidades en materiales ferromagneticos .
Para ello debemos magnetizar la pieza limpia,luego aplicar las partículas magnéticas, estas seagrupan sobre las discontinuidades dibujando suforma
3.b) Métodos volumétricos:
1. Radiografía Industrial; Detectan discontinuidades
y proporcionan la forma.
2. Ultrasonido; Útil para localizar rechupes, poros,
fisuras.Además se puede medir el espesor.
3. Corrientes Inducidas; Determina el tamaño de
grano, dureza, inclusiones, medición de espesores
de laminas metálicas. El material de ensayo debe
ser conductor eléctrico.
Podemos apreciar que es posible medir el espesor del
material “e” y la profundidad a la que se encuentra la
discontinuidad que es “a”
Esquema de un ensayo mediante Ultrasonido
4. Ensayos Tecnológicos
Estudian el comportamiento de los materiales
cuando son requeridos para un determinado
trabajo.
a) Embutido
b) Plegado
c) Punzonado
Aplicación y Uso de los Ensayos
a. Selección de material
b. Control de Calidad
c. Para evitar fallas en funcionamiento
d. Determinar causas de fallas en servicio
e. Investigación
ENSAYO DE TRACCIÓN
Se utiliza para obtener la resistenciamecánica(σf y σmáx) y la ductilidad(%ε ó %δ) de los materiales.
Se pueden obtener otraspropiedades y características como:módulo de rigidez (E), resilienciaelástica(UR) y tenacidad, entre otras.
Someter a la probeta a una fuerza de tracción unidireccional,
la fuerza aumenta progresivamente y simultáneamente se va
obteniendo los alargamientos correspondientes de la
probeta, tomando como referencia una longitud Lo (longitud
calibrada).
Mediante un cabezal móvil, en la prueba de tensión se aplica una fuerza
unidireccional a una probeta
Al final se obtiene una curva fuerza-alargamiento (F-ΔL ó F-δ).
La forma de esta curva dependerá del tipo de material y la
geometría de la muestra (tamaño).
A partir de la curva F- δ y con los datos de área
transversal inicial (Ao) y longitudinal calibrada (Lo), se
obtiene la curva esfuerzo-deformación (σ-ε).
Esta curva dependerá solo del material y no de la geometría de
la probeta.
Si el diámetro inicial (Do) antes del ensayode la probeta fue de 12,8 mm, siendo lacarga máxima que soporto la probeta, antesde romperse fue de 63,0 kN (Fmáx), entoncessu resistencia máxima o resistencia a latracción (σmáx) es
Para determinar la deformación de la
probeta después de romperse, si su longitud
calibrada (Lo) es 50,0 mm y, su longitud final
después de la rotura (LFINAL) es 54 mm,
utilizamos la ecuación (2):
En la figura anterior se muestra uno de los tipos deprobetas normalizadas, y en la tabla se encuentran lasdimensiones de probetas normalizadas según la normaASTM E8M-04
Análisis de la curva σ – ε:
Se estudiará la que presenta un acero al carbono con
recocido total.
Limite proporcional (σp)
Es el limite hasta donde los esfuerzos son
proporcionales a las deformaciones y en
donde se cumple la ley de Hooke: σ= E.ε
La pendiente de este tramo inicial es el
modulo deYoung : E
Limite elástico (σe)
Cuando un esfuerzo menor a σe lasdeformaciones que se producen en elmaterial son elásticas, es decir, una vezretirado el esfuerzo la probeta recupera sulongitud inicial.
Para esfuerzos mayores a σe la probetasufrirá deformaciones plásticas y elásticas,por lo cual su deformación será permanente.
Las deformaciones plásticas se inician cuando
el material alcance σe, y es cuando la probeta
tendrá deformaciones elásticas y plásticas,
hasta rotura.
Una vez ocurrida la rotura, la probeta
presentara solo deformaciones plásticas pues
las elásticas habrán desaparecido
Para determinar la deformación elástica y plástica quepresenta una probeta para un determinado esfuerzo σ
La deformación elástica siempre será: εelástica = σ/E
Limite de Fluencia o esfuerzo deFluencia(σf)
Este fenómeno se presenta solo en ciertos materiales dúctiles(aceros ordinarios de bajo carbono con recocido total).
La fluencia es el aumento de deformación plástica que sufre elmaterial sin aumento de esfuerzo, en algunos casos puede haberun descenso de los esfuerzos. El primer pico es el que marca elesfuerzo de fluencia .
Como el limite de fluencia es relativamente fácil de determinar yla deformación permanente es pequeña hasta el punto de fluencia,constituye un valor muy importante de considerar en el diseño.
En el material siempre ocurre que: σp< σe< σf , siendo en realidadvalores similares. Por lo que se puede decir que:
σp ≈ σe ≈ σf
La mayoría de los materiales no presentan el fenómeno de
fluencia, por ello se define el esfuerzo convencional de
fluencia o limite elástico convencional (σ0,2), y en la
mayoría de los casos reemplaza al limite elástico (σe ),
debido al que el σe es difícil de determinar en un ensayo
convencional de tracción. El esfuerzo convencional de
fluencia (σ0,2) se define como el esfuerzo que soporta un
material cuando presenta una pequeña deformación
plástica del 0,2 % (εp=0,002), y se determina como se
muestra en la figura siguiente.
En muchos casos el σf ó σ0,2, indicara, en forma practica,
el comienzo de la deformación plástica y reemplaza al
limite elástico (σe ). Es decir, si no se tienen referencia del
limite elástico de un determinado material se puede asumir
que dicho valor es mas cercano a σf ó σ0,2 .
Resistencia a la tracción (σmáx)
σmáx= Fmax / A0. se le conoce como su resistencia a latracción
La probeta desde el inicio del ensayo hasta cuandoalcance el σmáx sufrirá solo deformaciones uniformes, una
vez alcanzado el σmáx se iniciara la estricción, es decir, sepresentara deformaciones localizada.
Esta estricción se presentara en los materiales dúctiles yserá mas acusada cuando mas dúctil lo sea, un materialfrágil no presentara la formación de este cuello yromperá a un valor cercano a su resistencia a la tracción.
Después de alcanzar el σmax habrá una disminuciónde fuerza y la muestra continuara deformándose, ladisminución de fuerza se debe a la reducción delárea transversal por la presencia de la estricción. Enrealidad la probeta continuara endureciéndose(aumentando su dureza y resistencia mecánica)debido a la deformación, a esto se le llamaendurecimiento por deformación, es decir, que si segrafica la fuerza dividida entre el área medida en laestricción (A) el esfuerzo ira aumentando hasta larotura como se muestra en la siguiente figura.
Valores de resistencia y ductilidad
Los parámetros que nos dan información
sobre la resistencia mecánica de un material
son el esfuerzo de fluencia y la resistencia
a la tracción.
Valores de ductilidad
Lo que nos indican la ductilidad de un
material son el alargamiento de rotura y la
estricción de rotura.
a) Alargamiento de
rotura(%ε)
El alargamiento después de la
rotura es la deformación
plástica.
El alargamiento de rotura es
también llamado ductilidad.
Se calcula de la siguiente
manera.
b) Estricción de Rotura(% )
Se obtiene mediante la
siguiente fórmula:
Donde Af es el área de la zona
de rotura , y A0 es el área
transversal inicial de la
probeta
100%0
0
A
AA f
Modulo de rigidez (E)
El aluminio tiene un modulo de rigidez de 69 GPa, y el acero
207 GPa, por lo que para un esfuerzo aplicado dentro del
rango elástico, el aluminio se deformara, elásticamente tres
veces mas que el acero.
El modulo de rigidez esta determinado por la fuerza de enlace
entre los átomos, puesto que estas fuerzas no pueden alterarse sin
cambiar la naturaleza básica del material, solo le afectaran
ligeramente las adiciones de aleantes, el tratamiento térmico
o la deformación en frio
Curvas σ-є de algunas aleaciones de ingeniería
En los metales, σmáx y E disminuyen y δaumenta al incrementarse la temperatura de ensayo
TenacidadLa tenacidad de un material es su capacidad para absorber energía del campo plástico.
Un material dúctil presentara una gran
deformación antes de romperse con una
baja resistencia a la tracción.
Un material tenaz presentara buenos
valores de resistencia y ductilidad.
un material frágil presentara bajos valores
de ductilidad (deformación plástica nula) y el
valor de su resistencia a la tracción será
similar al esfuerzo de rotura.
Modulo de resiliencia elástica(UR)Resiliencia elástica es la capacidad de un material para
absorber energía cuando es deformado elásticamente y
devolverla cuando se elimina la fuerza.
Un acero para producir resortes debe
tener un elevado modulo de resiliencia
elástica.
Mientras que un acero tenaz será
adecuado para fabricar elementos de
maquinas como ejes de transmisión de
potencia.
Ejercicios resueltos
Ejercicio 1
El límite elástico de una aleación de aluminio es400MPa y su modulo de Young es 70GPa.
a) Calcular la fuerza máxima de tracción que unabarra puede soportar sin sufrir deformaciónpermanente. Considere que la barra es desección cuadrada de 10 mm de lado.
b) ¿Cuánto se alarga cada milímetro de la barracuando se le aplica la fuerza?
Solución:
a) El limite elástico(σe) indica el comienzo de ladeformación plástica. Para valores de esfuerzosmenores o iguales a σe el material solo sufrirádeformaciones elásticas.
La carga máxima que puede soportar la barra sinsufrir deformación plástica es de 40 kN.
kNNF
mmmmNAF
MPaA
F
e
e
4040000
)(100)./(400
400
22
0
0
Considerando que nuestra longitud calibrada(L0) sea de
1mm.
Cada milímetro de la barra se alargara en 5.7x10-3 mm.
b) La deformación que presenta la barra será
uniforme, pues el inicio de la estricción ocurre
para fuerzas mayores. Como los esfuerzos son
proporcionales a las deformaciones, entonces:
)(107,5107,5
107,570000
400
0
33
00
3
mmLLL
L
L
MPa
MPa
EE
xx
xee
Ejercicio 2
De la figura mostrada calcule E, σ0.2,
σmax, Ɛ% para el espécimen de
aluminio 2024-T81
Solución
Ejercicio 2
En un ensayo de tracción de una probeta dealeación de magnesio(Do=20mm y Lo=50mm)se obtuvieron los siguientes resultados:
a) Calcular la resistencia a la tracción (σmáx. ) en MPa.
b) Calcular el modulo de Young (E) en GPa.
c) Calcular el alargamiento total, en % un instanteantes de producida la rotura.
a) La resistencia a la tracción es la cargamáxima (Fmáx , punto 10 de la tabla) que soportala muestra dividida entre el área transversalinicial (A0).
b) El modulo de Young es la pendiente de laparte lineal inicial de la curva σ-ε (puntos 2 y 3de la tabla)
El modulo de rigidez es de 44.9 GPa
MPamm
N
A
Fmáx 303
_100
_953002
0
max
MPa
Lo
LAo
F
E 44881
50
10.0100
28200
50
05.0100
14100
c) Un instante antes de romperse la probeta presentara
deformaciones plásticas y elásticas
%εtotal = %εplástico + %εelástico
El punto 10 de la tabla indica el alargamiento
permanentemente (ΔL=0.57 mm) que presenta la
muestra después de la rotura
Su elongación justo antes de la rotura es:
676.010044881100
95300
100%.
14.110050
57.0100%%
EE
Lo
L
roturaeemáxrotura
pp
8.1676.014.1% total
Ejercicio 3Se quiere fabricar un componente similar al que seaprecia en la siguiente figura. El componentesoportará una fuerza de 100kN en tracción y estaráformado por acero y latón, los cuales están unidos auna placa rígida. Calcule el diámetro (D), del latón,para que el componente (latón – acero) trabaje soloen la zona elástica y no sufra deformaciónpermanente.
La deformación ε en ambos metales será la misma,pues ambos están unidos a una placa rígida. Sedebe cumplir la ley de Hooke: σ=Eε. El limiteproporcional y el elástico son valores muysimilares.
La fuerza F será soportada por ambos metales detal manera que: F=FAcero+FLatón
el grafico σ – ε para ambos metales:
Del grafico σ – ε se aprecia que la máximadeformación ε que puede soportar el componentees de 2.14 x 10 -3
Problemas propuestos
Problema 1
Se obtuvieron los siguientes datos de esfuerzo-deformación al inicio de un ensayo de tracción de unacero con 0.2% de carbono.
a) Con estos datos, dibuje la correspondiente curvaesfuerzo-deformación.
b) Determine el límite elástico de 0.2% de este acero.(Nótese que estos datos sólo corresponden a la parteinicial de la curva esfuerzo-deformación.)
Problema 2
Una probeta metálica cilíndrica, de 15mm dediámetro y 200 mm de longitud, es sometida aun esfuerzo de 28 MPa, nivel de tensión al cualtoda la deformación experimentada por ella eselástica.
Si el alargamiento máximo permitido es de0,08mm, ¿Cuáles de los metales de la tablaadjunta son posibles candidatos?
Si además la máxima reducción de diámetropermitida es de 0,0012mm, ¿qué metales de latabla satisfacen las condiciones requeridas?
Problema 3
Una persona de 130 kg de masa va a realizar un saltoal vacío atado con una cuerda elástica no lineal desdeuna plataforma suspendida de una grúa a 53 m delsuelo. El saltador está unido a la plataforma por unacuerda de 16 m de longitud total en reposo. Alensayar una cuerda idéntica a la empleada (tanto enrespuesta mecánica como en dimensiones) se haobtenido la curva fuerza-alargamiento mostrada en lasiguiente figura (a).
Para simplificar el problema, se considera que lacuerda se comporta como se muestra en la figura(b). El alargamiento máximo admitido a la cuerdaensayada es de 15 m.
(a) ¿Será la cuerda capaz de absorber la caída delsaltador?
(b) ¿Cuál será la masa máxima de la persona quepueda disfrutar del salto saliendo ileso del mismo?
(c) Si la cuerda está enganchada a la plataformacon un anillo que es capaz de soportar solo 2000 Nde fuerza, ¿Cuál será la masa máxima delmuchacho que pueda saltar?
Problema 4En una probeta AISI4043 de 4mm de
diámetro y con una longitud calibrada de 20
mm, obteniéndose los siguientes resultados.Fuerza Alargamiento
(kN) (mm)
0 0
5,027 0,040 Deformación elástica
7,540 0,060 Deformación elástica
10,053 0,080 Deformación elástica
11,058 0,088 Límite elástico
11,310 0,130 Deformación elástica y plástica
12,565 1,600 Deformación elástica y plástica
10,053 3,000 Justo antes de la rotura
a. Determine el límite elástico y la resistencia a la
tracción del acero en MPa.
b. Calcule su alargamiento de rotura en %.
c. Sí ahora se ensaya una probeta de acero del mismo
material de 6 mm de diámetro y con una longitud
calibrada de 30 mm. Determine la fuerza máxima, en
kN, que puede soportar la probeta sin presentar
deformación plástica.
d. Para la probeta anterior, ahora calcule el
alargamiento, en mm, que presentará la probeta
cuando alcance su máximo esfuerzo.
e. Determine el módulo de resiliencia elástica en MPa
f. Del acero.
PROBLEMA 5Un acero con 0,5% de C templado y revenido
presenta las siguientes características cuando se
le realiza un ensayo de tracción:
Tipo de esfuerzo MPa Deformación elástica(%)
σ0,2 ? 0,352
σmax 1000 0,476
σrot ? 0.300
Se tienen 2 probetas de un acero similar al
anterior, de 10 mm de diámetro y una longitud
calibrada de 50mm. A ambas muestras se les
realiza el ensayo de tracción ,en dos
laboratorios diferentes ,encontrándose entre
ellos resultados contradictorios en el calculo
del alargamiento ,cuando la muestra esta
soportando 57334 N. Un laboratorio sostiene
que la muestra sólo tiene deformación
elástica y el otro tanto deformación elástica
cómo plástica.¿ Cuál de los dos tiene la
razón?. Expliqué con ayuda de esquemas y
cálculos numéricos.
ENSAYO DE DUREZA
Ing. Luis Sampén
Ensayo de dureza
La dureza es una propiedad mecánica y, de los
metales, es una medida de su resistencia a ser
deformados permanente
Todos los ensayos de dureza en los metales
dejan una huella permanente y a mayor tamaño
de la huella el metal será mas blando
En general existen tres métodos para medir la
dureza y se clasifican de acuerdo a la forma de
realizar el ensayo: dureza al rayado, dureza a
la penetración y dureza elástica o dinámica
Dureza al rayado
Este tipo de ensayo interesa
principalmente a los mineralólogos, y la
dureza se evalúa por la capacidad de los
materiales de rayarse unos a otros.
La dureza se mide de acuerdo con la
escala de MOHS, que consiste de 10
minerales tipo enumerados del 1 al 10 en
orden creciente de dureza, y esta basado
en la resistencia que opone un material
para ser rayado por otro
Dureza a la penetración
Mide la resistencia que oponen los materiales a
ser penetrados por otro cuerpo mas duro.
Normalmente se imprime sobre el material un
indentador (billa de acero endurecido, cono de
diamante, etc.) con una fuerza conocida por un
tiempo determinado.
Este tipo de ensayo es el que se emplea
principalmente para determinar la dureza en los
aceros, aleaciones de cobre, aleaciones de
aluminio , etc.
Dureza Brinell (ASTM E 10)
Fue el primer ensayo de dureza a la penetración
ampliamente aceptado
El ensayo de dureza originalmente consistía en
comprimir sobre la superficie del metal una billa
de acero endurecido de 10mm de diámetro (D),
con una fuerza (F) de 3000 kg que se aplica
progresivamente durante un tiempo
determinado. Después de retirada la carga y el
indentador, se mide el diámetro de la huella (d)
dejado por el indentador en milímetros, tal
como muestra la figura
En el ensayo de dureza de Brinell la relación
que debe de existir entre el diámetro del
indentador (D) y el diámetro (d) deberá ser:
Relación que se cumple cuando se realiza el
ensayo en aceros; pero cuando se lleva a cabo
en materiales mas blandos usualmente no se
cumple ,por ello cuando se realiza ensayos de
dureza en metales mas blandos se deben
emplear fuerzas menores a 3000kg.
Se ha comprobado experimentalmente que para que
se cumpla la relación anterior en diversos materiales,
basta que
Los diámetros de billas que se emplean de
Brinell están normalizadas siendo estos de:
10;5;2,5;2;1 y 0,50mm. La fuerza máxima (F) es
de 3000 kg, valores típicos empleados son
3000, 1500, 500 y 250 kg. La fuerza se aplica
durante un periodo de tiempo que es de 10 a
15 s
Si se quiere determinar la dureza Brinell por
ejemplo en una aleación de aluminio que tiene
un valor de Q=5 y si se elige un indentador de
10mm, entonces se debe emplear una fuerza
de 500kg.
si la muestra es muy delgada, se debe
emplear una fuerza menor tal como de
125kg entonces el diámetro del
indentador cambiara, pues Q es el valor
constante, luego se debe emplear un
indentador de 5mm.
por lo tanto, siempre que cambie el valor
de la fuerza, el diámetro del indentador
cambiara de tal forma que siempre se
mantenga la relación Q la cual depende
del material a ensayar
Relación entre dureza Brinell y
resistencia
El numero de dureza Brinell, cuando se emplea
un billa de acero endurecido (S) esta limitado a
450 HB aproximadamente , pudiéndose llegar a
650HB cuando se emplea billas de carburo de
tungsteno(W)
Forma de expresar la dureza Brinell
250HBS: indica una dureza de 250 Brinell,
realizado en condiciones estándar, es decir
empleando una billa de acero endurecido en
10mm aplicando una carga de 3000kg durante
un tiempo de 10 a 15s
250HBW: similar al anterior, solo que se
empleo un indentador de carburo de tungsteno.
250HBW 5/750/20: significa una dureza Brinell a
250, determina con un indentador de carburo
de tungsteno de 5mm, empleando una carga de
750kg la que fue aplicada durante 20segundos
Dureza Rockwell (ASTM E18)
La maquina Rockwell salió al mercado en 1924,
llenando el vacio dejado por Brinell, pues no se
podían medir la dureza en materiales muy duros
El ensayo Rockwell se basa, como el Brinell, en la
resistencia que oponen los materiales a ser
penetrados por un cuerpo mas duro, pero se
diferencia. En el ensayo Rockwell actúan dos
fuerzas diferentes. Primero se aplica una fuerza
pequeña de 10 kg y luego actúa otra fuerza mayor
Existen varias escalas las que dependen
del material ensayado, siendo las mas
empleadas a nivel industrial las escalas B y
C
Las cifras de dureza Rockwell son funciones de la
diferencia entre la penetración conseguida cuando
actúa la carga pequeña y la profundidad de la
huella permanente que hicieron las dos cargas
cuando actuaron a la vez, como se aprecia en la
figura siguiente.
La profundidad de la penetración obtenida hf o h
caracteriza a la dureza y se lee en el dial(pantalla)
de la maquina de dureza Rockwell
La escala C(HRC) se utiliza en metales duros (acero
templado, templados y revenidos, etc.) emplea como
indentador un cono de diamante con un ángulo en
la punta de 120º y para metales blando y semiduros
se emplea la escala B(HRB) que utiliza una bola de
acero endurecido de 1/16” de diámetro. En ambos
casos el ensayo se lleva de forma parecida,
empleándose la misma prefuerza (10kg) y utilizando
luego fuerzas mayores. El tiempo de aplicación de la
fuerza total es de 10 a 15s.
La tabla siguiente muestra la equivalencia
que existen entre los diferentes tipos de
ensayo de dureza en los aceros al carbono y
aleados. Se puede apreciar, en las dos ultimas
columnas, que para un determinado valor de
dureza es posible obtener la resistencia a la
tracción en kg/mm2
Se puede obtener la dureza Brinell, en forma
aproximada, multiplicando por 10 el valor
obtenido en un ensayo de dureza Rockwell
realizado en la escala C(HRC).
Ver tabla comparativa de dureza
La dureza Vickers (ASTM E 92)
El fundamento es parecido al de Brinell, se basa
en la resistencia que oponen los cuerpos a ser
penetrados. Se define por emplear un
indentador de diamante en forma de pirámide
cuadrangular, con un ángulo de 136º entre caras
opuestas. El ángulo fue elegido para que las
cifras Vickers sean siempre algo superior a la
Brinell
Normalmente se emplean fuerzas entre 1kg y
120kg, siendo la fuerza generalmente empleada
de 30kg. Además, se recomienda el uso de
fuerzas mayores a 5kg pues para valores
menores la dureza puede ser dependiente de la
fuerza aplicada. Como resultado de la forma del
indentador, la huella sobre la superficie de la
muestra será un cuadrado.
Las longitudes de las diagonales ( d1 y d2 ) se
miden por medio de un microscopio. La dureza
Vickers (HV) se puede calcular o por la
siguiente formula:
Ensayo de microdureza
Microdureza se refiere a determinar la
dureza de zonas muy pequeñas como por
ejemplo la dureza de los
microconstituyentes de un acero: ferrita o
cementita, por ello la huella dejada por el
indentador debe ser muy pequeña. Las
fuerzas varían generalmente entre 1g y
1000g
A) Microdureza Vickers (ASTM E 384)
Para la prueba de microdureza se puede
utilizar en método de microdureza
Vickers, que emplea un indentador
similar al del método convencional. El
aparato para medir microdureza es
diferente al de dureza Vickers
La microdureza se calcula empleando la
misma formula
B) Microdureza Knoop
También se puede determinar la
microdureza de un metal empleando el
ensayo de microdureza Knoop, que utiliza
un indentador de diamante de forma
piramidal que presenta dos diagonales una
larga y una corta a una razón aproximada
de 7:1.
La longitud de la diagonal mas larga de la
huella “d” se mide ópticamente, siendo el
numero de dureza Knoop(HK)
determinado mediante la siguiente formula:
La dureza elástica o dinámica Un aparato muy empleado hasta hace pocos años
para medir la dureza elástica, fue el escleroscopio
Shore. Su principio se basa en dejar caer desde una
determinada altura un pequeño martillo sobre el
material a ensayar, parte de la energía de caída será
absorbida en producir la huella, por lo que el martillo
retrocederá, elevándose hasta una altura menor que
la inicial de partida. Esta altura de rebote se toma
como medida de la dureza elástica o al rebote, tal
que cuando mayor sea el rebote, mayor será el
numero y la pieza a prueba será mas dura.
Precauciones generales para realizar
los ensayos de dureza La superficie a ensayar debe estar limpia de
óxidos, grasas , pintura, etc.
La superficie tiene que ser plana y
perpendicular al eje de aplicación de la
carga.
La distancia de borde de la pieza al centro
de la huella debe ser mayor o igual a 2,5 d,
como muestra la figura
La distancia entre los centros de dos huellas
consecutivas deber ser mayor o igual 3,0d.
El espesor del material debe ser el suficiente
de modo que no aparezca alguna
protuberancia sobre la superficie opuesta a
la de la impresión.
El espesor de la muestra recomendado es de
por lo menos 10 veces la profundidad de la
impresión.
Ing. Luis Alberto Sampén Alquizar
ENSAYO DE IMPACTO
ENSAYO DE IMPACTO
ENSAYO DE IMPACTO
ENSAYO DE IMPACTO
ENSAYO DE IMPACTO
ENSAYO DE IMPACTO
ENSAYO DE IMPACTO
ENSAYO DE IMPACTO
ENSAYO DE IMPACTO
ENSAYO DE IMPACTO
ENSAYO DE IMPACTO
ENSAYO DE FATIGA
ENSAYO DE FATIGA
ENSAYO DE FATIGA
ENSAYO DE FATIGA
ENSAYO DE FATIGA
ENSAYO DE FATIGA
ENSAYO DE FATIGA
MECÁNICA DE LA FRACTURA
Las hipótesis de la mecánica clásica no se cumplen
¿Porque se producen las fallas?
Negligencia durante el diseño, fabricación u operación de la estructura.
Aplicación de un nuevo diseño o material el cual produce un inesperado (e indeseable) resultado.
Objetivo: Saber cuando son peligrosas y
como controlarlas
Las fisuras se pueden originar:
◦ En la fabricación
◦ En la manufactura
◦ En servicio
Pueden ser:
◦ Críticas
◦ Subcríticas
Tensión aplicadaTensión de fluencia
o rotura
Diseño basado en la resistencia mecánica del material(homogéneo, isotrópico)
Criterios de diseño
En toda estructura hay fisuras y
millones de microfisuras
En toda estructura hay incontables
discontinuidades (no homogéneo)
Diseño basado en la mecánica de la
fractura
Tolerancia al daño
En enero de 1943, el buque tanque T-2 Schenectady,navegando en mar calma se partió en dos en Portland, Oregon. El esfuerzo registrado en la cubierta fue sólo de 9.900 psi [7 Kg/mm2].
Factores que controlan la propensión a
la rotura frágil
Medida normalizada
Medida normalizada
Medida normalizada
Tensiones en una fisura
Tensiones en una fisura
Tensiones en una fisura
Criterio local de rotura
Planteamiento local
de la fractura
Cálculo de KI
Planteamiento local
Manuales
Métodos directos
Métodos indirectos
Métodos experimentales
Fisuras elípticas
Manuales
Manuales
Métodos experimentales
Métodos experimentales
Fisuras elípticas
Fisuras elípticas
Fisuras elípticas
Fisuras elípticas
LAS FISURAS SE HAGAN PASANTES ANTES DE
ALCANZAR SU VALOR CRÍTICO
Fisuras elípticas
Planteamiento Local
de la fractura
Medida de KIc
Aspectos fenomenológicos
Medida normalizada
Aspectos fenomenológicos
Aspectos fenomenológicos
Aspectos fenomenológicos
Aspectos fenomenológicos
Aspectos fenomenológicos
Medida normalizada
Medida normalizada
Medida normalizada
Medida normalizada
CONCLUSIONES
El ensayo de tracción es uno de los más
importantes ensayos de caracterización
mecánica de los materiales.
El ensayo nos proporciona directamente
el alargamiento de una probeta en función
de la carga a que esta sometida, por lo
que para hallar las propiedades intrinsicas
hay que convertirlo en un diagrama
tensión-deformación.
Bibliografía• Lean, P. (2007). Introducción a la ingeniería
de materiales. 1ra. Edi, Edit. PUCP, Lima,Perú.
• Smith, W. Hashemi, J. (2004). Fundamentosde la ciencia e ingeniería de materiales. 4ta.Edi, Edit. McGraw-Hill, México D.F., México.
• Askeland, D. (1998). Ciencia e Ingeniería delos materiales. 3ra. Edi, Edit. InternationalThomson Editoriales, México D.F., México.