TEMA 29. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. TÉCNICAS DE MEDIDA Y ENSAYO DE PROPIEDADES.

Transcripción

1 TEMA 29 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. TÉCNICAS DE MEDIDA Y ENSAYO DE PROPIEDADES. 0.- Introducción. 1.- Propiedades físicas Extensión Impenetrabilidad. Masa. Densidad Gravidez. Peso especifico. 2.- Propiedades térmicas Conductividad calorífica Capacidad calorífica. Calor especifico Dilatabilidad. Coeficiente de dilatación Fusibilidad. Temperatura y calor latente de fusión. 3.- Propiedades eléctricas Conductividad eléctrica. Resistividad. Efecto Joule. 4.- Propiedades magnéticas Paramagnetismo y diamagnetismo Ferromagnetismo. 5.- Propiedades mecánicas y técnicas Cohesión Dureza Elasticidad Limite de elasticidad Plasticidad Maleabilidad Ductilidad Resistencia a la rotura Tenacidad y fragilidad Resiliencia Fluencia fatiga. 6.- Propiedades químicas Oxidación metálica Corrosión metálica. 7.- Técnicas de media y ensayo de propiedades Clasificación y tipos de ensayo Ensayos destructivos de tipo mecánico Ensayos de dureza Ensayos de dureza al rayado. Ensayo de Martens. Método de rayado a la lima Ensayos de dureza a la penetración. Método Brinell. Método Vickers. Método Rockwell Ensayos dinámicos de dureza. Método Shore. Método Poldi Ensayos destructivos de tipo mecánico y estáticos. Félix Abad Casado 1

2 Ensayo de tracción. Ensayo de compresión Ensayo de flexión. Ensayo de pandeo Ensayo de torsión Ensayos destructivos dinámicos. Ensayo de resiliencia. Ensayo de fatiga Ensayos tecnológicos. Ensayo de plegado Ensayo de embutición Ensayo de chispa Ensayos no destructivos. Ensayos magnéticos. Ensayos eléctricos. Ensayos por líquidos penetrantes. Ensayos estructurales. Ensayos de rayos X. Ensayos de rayos gamma. Ensayos de ultrasonidos. 0.- INTRODUCCION. Este tema está relacionado con los objetivos de la E.S.O., en lo que se refiere a conocimiento y valoración de los aspectos tecnológicos, y en particular de las cualidades y propiedades de los materiales. También se recogen como objetivos generales de la Tecnología de la E.S.O., el analizar objetos y mantener una actitud de indagación y curiosidad hacia los elementos tecnológicos, entre ellos los materiales. Entre los contenidos de la asignatura, y dentro del bloque de "Recursos científicos y técnicos " se incluye el apartado "Los materiales de use técnico", donde se estudian sus propiedades y cualidades. En el currículo de Bachillerato Técnico, dentro de los contenidos de la asignatura Tecnología I y II, hay un bloque completo dedicado al estudio de los materiales en general, sus propiedades y procedimientos de selección. A modo de introducción técnica, podemos decir que para la elección de un determinado material, que va a estar destinado a prestar un servicio, es necesario conocer las características técnicas del mismo, de tal forma que su comportamiento sea optima, y cualquier deformación que se produzca no sea excesiva y cause una rotura. Las propiedades de los materiales se determinan realizando ensayos cuidadosos de laboratorio, que reproducen las condiciones de trabajo real hasta donde sea posible. 1.- PROPIEDADES FISICAS. Las propiedades que vamos a citar a continuación las podríamos catalogar como primarias, y estas son: Extensión. Félix Abad Casado 2

3 Es la propiedad que tienen todos los cuerpos de ocupar espacio. Su estudio corresponde a la geometría, que denominan volumen al espacio ocupado por un cuerpo Impenetrabilidad. Masa. Densidad. El espacio que vemos ocupado por un cuerpo no puede ser ocupado por otro al mismo tiempo, esta propiedad se define como impenetrabilidad. La impenetrabilidad es debida a que los cuerpos están compuestos de una masa que Ilena su volumen. Pero no todos los cuerpos, a igualdad de volumen, pesan lo mismo. No todas las masas son igualmente densas, ej. el plomo pesa 5 veces más que el Al, a igualdad de volumen. La densidad se define como la relación entre masa y volumen. Se obtiene dividendo el peso de un volumen determinado de un cuerpo y el peso del mismo volumen de agua a 4 C Gravidez. Peso especifico. Todos los materiales son pesados, por estar sometidos en la tierra a la acción de la gravedad. El peso especifico se define como el peso de la unidad de volumen de un cuerpo (Kp/dm 3 ). 2.-PROPIEDADES TERMICAS Conductividad calorífica. Es la rapidez con que el calor aplicado en la superficie de un cuerpo se transmite a la totalidad de la masa. Es un fenómeno similar a la conductividad eléctrica. Se valora por medio de una constante Ilamada coeficiente de conductividad calorífica. Esta se define como la cantidad de calor que atraviesa en un segundo y perpendicularmente, una placa de 1 cm. cuadrado de superficie y 1 cm. de espesor, de un cuerpo determinado, mientras las caras de las placas tienen una diferencia de temperatura de 1 C. La conductividad térmica tiene especial importancia en los tratamientos térmicos de los metales en los que interesa alcanzar, en el menor tiempo posible, uniformidad de temperatura entre la superficie y el núcleo de las piezas, tanto en calentamientos como en enfriamientos Capacidad calorífica. Calor especifico. Capacidad calorífica, es la cantidad de calor necesaria para elevar 1 C la temperatura de un cuerpo. La constante que define la capacidad calorífica es el calor específico. El calor específico es la cantidad de calor necesario para elevar 1 C la temperatura de un gramo de masa. Félix Abad Casado 3

4 El calor específico no es rigurosamente constante. Varia con la temperatura, el estado molecular y el estado físico del cuerpo. El calor específico del agua es igual a 1 entre 0 y 60 C. Todos los demás cuerpos, excepto el hidrogeno liquido, tienen calor especifico inferior a Dilatabilidad. Coeficiente de dilatación. Al aumentar la temperatura, aumenta la energía de vibración de los átomos y las fuerzas de repulsión. Esto ocasiona el aumento de las distancias interatómicas hasta recobrar el equilibrio nuevamente. Así aumenta las dimensiones. siendo: L f =L o ( 1 + & T) L f = Longitud final. L o = Longitud inicial. & = Coeficiente de dilatación. T = Diferencia entre la temperatura final y la inicial. El conocimiento y cálculo de la dilatación que pueden experimentar los metales y de su contracción al enfriarse, tiene enorme importancia en la elaboración y utilización de los metales. (Enfriamiento en moldes; mecanización por corte que calienta y pueden producir variaciones importantes de medidas en trabajos de precisión) Fusibilidad. Temperatura y calor latente de fusion. Si se calienta un metal de forma que la amplitud de las vibraciones es igual a las distancias interatómicas, se desmorona la estructura cristalina y se produce la fusión. La temperatura de fusión es a la que funden los metales. Es tanto más baja cuanto mayores son las distancias interatómicas. La presencia de impurezas suele bajar la temperatura de fusión. El calor latente de fusión es el calor necesario para pasar un metal del estado sólido al líquido y el calor latente de solidificación el calor desprendido en el proceso de solidificación. 3.- PROPIEDADES ELECTRICAS Conductividad eléctrica. Resistividad. Efecto Joule. La conductividad eléctrica es una propiedad exclusiva de los metales y representa facilidad que poseen los metales de transmitir la corriente eléctrica a través de su masa. La resistividad eléctrica es la inversa de la conductividad. La resistividad aumenta: Cuanto más impuros son los metales. Cuantas más imperfecciones tienen las redes cristalinas. El efecto Joule se origina al chocar los electrones con los iones. Se pierde energía Félix Abad Casado 4

5 cinética y esta se transforma en calor. 4.- PROPIEDADES MAGNETICAS Paramagnetismo y diamagnetismo. Cuando un material se somete a la acción de un campo magnético de intensidad "H", se produce en el material una inducción de intensidad "B" La permeabilidad magnética "µ", es la relación: µ = B/H Son paramagnéticas las sustancias que tienen µ > 1. Son diamagnéticas las sustancias que tienen µ < 1. El diamagnetismo y paramagnetismo se atribuyen a la resultante de los campos magnéticos creados por los giros o expin de los electrones de los átomos. Si el momento magnético de los átomos es nulo, las líneas de fuerza del campo al ser atravesadas por los electrones producirán, de acuerdo con la ley de Lenz, un campo de sentido contrario, que se opondrá al exterior, tendiendo a desviar las líneas de fuerza del campo. El material que actúa así es diamagnético. Si el momento total no es nulo y da una componentes en Ia misma dirección y sentido que el campo exterior, el material podrá ser diamagnético si esta componente es inferior a la inducida por el campo exterior. Pero si es superior, el material será paramagnético y las líneas de fuerza tendrán a concentrase a su paso por el metal Ferromagnetismo. La mayor parte de los metales son, débilmente paramagnéticos ó débilmente diamagnéticos. Hay unos pocos (Fe, Co y Ni) cuyos coeficientes de permeabilidad magnética "µ ", son muy elevados: Estos quedan con un magnetismo remanente al separarlos del campo magnético. Se explica el ferromagnetismo suponiendo que cada cristal puede considerarse descompuesto en zonas magnéticas, en las que se agrupan los átomos de momento magnético de igual dirección y sentido y resultando un momento magnético por dominio, cuya dirección está relacionada con los ejes cristalinos. 5.- PROPIEDADES MECANICAS Y TECNICAS. Las propiedades mecánicas de los metales son las que dan superioridad a algunos de ellos sobre los demás materiales en las aplicaciones mecánicas o estructurales. Las principales propiedades mecánicas son; la cohesión, elasticidad y plasticidad, propiedades que no tienen gran valor aisladamente. El diamante tiene mas cohesión que muchos metales; el caucho mas elasticidad. Félix Abad Casado 5

6 La superioridad de los metales está en la excelente combinación de las tres propiedades que se pueden adquirir con las aleaciones y los tratamientos térmicos Cohesión. Es la resistencia que oponen los átomos de los metales a separarse unos de otros. Esta resistencia depende de los enlaces de los átomos. Al ser los enlaces iónicos y homopolares más enérgicos que los atómicos, la cohesión es superior. El diamante (enlace homopolar) tiene una cohesión muy grande Dureza. Es la resistencia que opone un material a su penetración o a ser rayado por otro. No es realmente una propiedad sino el resultado de un ensayo. Tiene relación con la cohesión. A mayor cohesión mayor dureza. Y también, a mayor temperatura de fusión del metal mayor dureza Elasticidad. Es la capacidad que tienen los metales de recobrar su forma primitiva cuando cesa la causa que deforma los cuerpos elásticos. La deformación elástica tiene carácter circunstancial, no rompe los enlaces atómicos, y por tanto no queda ninguna huella al recuperar su forma inicial, ni en su forma ni en su estructura Limite de elasticidad. Es la máxima carga unitaria que puede soportar un material metálico sin sufrir deformación permanente. Es pues, el resultado de un ensayo, que mide o valora la elasticidad de cada material. El límite elástico tiene enorme importancia en resistencia de materiales para proyectos de construcción de todo tipo, ya que las piezas y estructuras se dimensionan para que trabajen por debajo del límite elástico Plasticidad. Es la capacidad o aptitud de los cuerpos para adquirir deformaciones permanentes. Hay desplazamientos de unos cristales respecto a otros, pero sin que Ilegue a producir esta traslación la rotura del material. La plasticidad solo la poseen los metales, ya que solo son plásticos los materiales que tienen enlace metálico. La plasticidad exige que el límite elástico sea menor que la cohesión del material, pues solo así podrá deformarse permanentemente antes de su rotura Maleabilidad. Félix Abad Casado 6

7 Es una variable de la plasticidad. Es la propiedad que presentan los materiales metálicos de deformase plásticamente al someterlos a fuerzas de compresión. (laminado, martillado). Así pueden obtenerse laminas de hasta 0,0001 mm., Ilamadas panes de oro Ductilidad. Es otra variable de la plasticidad. Es la capacidad o aptitud que presentan los materiales metálicos de deformarse plásticamente al someterlos a esfuerzas de tracción. Los materiales dúctiles se estiran en hilos muy finos Resistencia a la rotura. No es una propiedad, sino el resultado de un ensayo. Es la carga máxima por unidad de sección que aplicada al cuerpo, destruye su cohesión y produce la rotura del mismo. La resistencia a Ia rotura varia con la modalidad de aplicación de las cargas: resistencia en caliente; con carga permanente; con cargas variables; etc. Luego pueden existir resistencias a la rotura por tracción, compresión, torsión y cizallamiento Tenacidad y fragilidad. Son tenaces los materiales que tienen elasticidad y plasticidad. Son frágiles los materiales que carecen de zona pl6stica (rompen en el limite elástico). También se define la tenacidad como la capacidad de resistencia a la rotura por choque. También la tenacidad expresa el trabajo desarrollado por un material en su proceso de deformación hasta la rotura. Los materiales frágiles son poco tenaces, ya que, al ser incapaces de deformarse plásticamente, no pueden absorber energía. Cuando por efecto de un choque se comunica energía a un material tenaz, este la absorbe produciendo su deformación. Un material frágil puede ser resistente y no tenaz, ya que no es capaz de absorber energía en el proceso de su rotura Resiliencia. Es el resultado de un ensayo. Es la energía consumida en el proceso de rotura por choque de una probeta concreta y por medio de un péndulo también concreto. Se expresa en Kgm/cm 2. Félix Abad Casado 7

8 A mayor tenacidad mayor resiliencia Fluencia. Algunos materiales como el alquitrán fluyen por la acción de su propio peso, espontáneamente. Actualmente, se ha comprobado que todos los materiales se deforman más o menos lentamente, aplicándoles cargas inferiores al límite elástico. A esta deformación lenta se le llama fluencia. La fluencia aumenta con la carga y con la temperatura. Cuanto más elevada es la temperatura de fusión de un material, menos sensible es a la fluencia. El límite de fluencia es el que puede resistir un metal en un intervalo de temperaturas determinado sin que se rompa en un tiempo indefinido Fatiga. Es el "desfallecimiento" que sufren los metales cuando están sometidos a esfuerzos alternados que se repiten con cierta frecuencia. Se ha comprobado experimentalmente que es posible producir la rotura de un material con cargas variables, inferiores a las de rotura por tracción e incluso al límite elástico, siempre que actúen durante un tiempo suficiente. Ejemplo claro es la rotura de un alambre doblándolo repetidamente. 6.- PROPIEDADES QUIMICAS Oxidación metálica. La oxidación se debe a la acción conjunta del oxigeno con el calor. El oxigeno es muy activo y tiene una Bran afinidad química por los metales. Es el agente básico de la acción atmosférica que se desarrolla en los fenómenos de oxidación y corrosión. Pese a la afinidad química existente, la combinación del oxigeno atmosférico con un material metálico en estado sólido no se desarrolla fácilmente sin la ayuda de algun agente que colabore. La oxidación por acción directa del oxigeno atmosférico es muy débil, ya que forma un película muy fina de oxido, que actúa como una coraza protectora, impidiendo la progresión de la oxidación. Cuando se eleva la temperatura, el proceso de la oxidación se facilita, ya que el oxigeno pasa al estado atómico, mucho más activo. Para que la protección sea más eficaz, debe formar una película continua y bien adherida. Cuando la película se agriete, la protección es poco eficaz. Félix Abad Casado 8

9 6.2.- Corrosión metálica. La corrosión es un proceso provocado por fenómenos electroquímicos que se desarrollan al condensarse el vapor de agua sobre la superficie del metal. En la corrosión, la acción química del oxigeno se desarrolla por vía húmeda. Por ello, las reacciones se producen con humedad, mientras que la oxidación se produce por vía seca. Para que la corrosión tenga lugar, es indispensable la presencia conjunta del oxigeno como agente y del agua como medio. 7.- TECNICAS DE MEDIDA Y ENSAYO DE PROPIEDADES Clasificación y tipos de ensayo. Ante la extensa gama de tipos de ensayos que se realizan en la industria para determinar las características técnicas de los materiales, estableceremos tres criterios básicos para su clasificaci6n: a) Atendiendo a la rigurosidad de su ejecución, distinguiremos entre: Ensayos técnicos de control: Son aquellos que se realizan durante el proceso productivo. Se caracterizan por su rapidez y simplicidad, al mismo tiempo han de ser exactos, fieles y sensibles. Ensayos científicos. Son aquellos que se realizan para investigar características técnicas de nuevos materiales. Se caracterizan por su gran precisión, fidelidad y sensibilidad, pero no importa la rapidez que exige la producción. b) Atendiendo a la forma de realizar los ensayos: Ensayos destructivos: Los materiales sometidos a este tipo de experimentos ven alteradas su forma y presentación inicial. Ensayos no destructivos. Los materiales sometidos a este tipo de prueban no ven alteradas su forma y presentación inicial. c) Teniendo en cuenta los métodos empleados en la determinación de [as propiedades: Ensayos químicos: Nos permiten conocer la composición química cualitativa y cuantitativa de la materia, así como su comportamiento ante los agentes químicos. Ensayos metalograficos: Con la ayuda del microscopio metalograficos estudiaremos la estructura interna del material, que nos permitirá conocer los tratamientos térmicos y mecánicos que ha sufrido el mismo. Ensayos físicos y fisicoquímicos: Determinaremos la propiedades físicas (densidad, punto de fusión, calor especifico conductividad térmica y eléctrica, etc..), así como las imperfecciones y malformaciones tanto internas como externas. Ensayos mecánicos. Destinados a determinar las características elásticas y de resistencia de los materiales sometidos a esfuerzos o deformaciones análogas a las que se presentan en la realidad. En este grupo estudiaremos: ensayos estáticos de tracción, compresión, cizalladura, flexión torsión; ensayos de dureza; ensayos de choque o dinámicos, ensayos de fatiga y fluencia, ensayos Félix Abad Casado 9

10 tecnológicos de plegado, doblado, embutición, forjado, etc Ensayos destructivos de tipo mecánico Ensayos de dureza. La dureza, más que una propiedad de los materiales, es el resultado de un ensayo. En general podemos decir que la dureza es la resistencia superficial a la deformación Ensayos de dureza al rayado. Ensayo de Martens. Utiliza un equipo con un cono de diamante cuyo ángulo de vértice es 90º y con el que hace una raya sobre el material cuya dureza queremos medir, desplazando el cono sobre la pieza y aplicando una carga constante. La anchura del surco se mide en micras (µ) y el valor de la dureza se calcula aplicando la ecuación: Método de rayado a la lima. M = 1000 a 2 Se somete al material a la acción cortante de una lima de características determinadas, conservando el efecto cortante producido. Es un método muy rápido empleado en talleres para comprobar la dureza superficial después del tratamiento térmico. La información proporcionada es aproximada y se puede afirmar que si una lima corriente no raya a un material, éste tendrá una dureza próxima a 60 HR c Ensayos de dureza a la penetración. Método Brinell. La prueba Brinell consiste en marcar sobre la superficie de la pieza a examinar una huella permanente, mediante un penetrador esférico de acero durísimo, al que se aplica una carga prefijada durante un tiempo concreto. El valor de la dureza HB es el cociente entre la carga (F) aplicada en kp y la superficie (S) de la huella en mm 2 Sabemos que la huella es un casquete esférico en el que: Félix Abad Casado 10

11 Las condiciones normales del ensayo son: D=10 mm. F = 3000 kg. Tiempo de carga = 15 segundos. Si las condiciones son distintas a las normales, debe añadirse al símbolo el diámetro de la bola, la carga y el tiempo. Ejemplo: HB 5 / 750 / 20. Indica (bola 5 mm, carga 750 kg y tiempo 20 segundos) Carga a aplicar. Depende del material a probar y del cuadrado del diámetro de la bola del penetrador. F = K. D 2 En la siguiente figura se indican el valor de K para algunos materiales y el diámetro de la bola para determinados espesores. Características del ensayo Brinell No es fiable en materiales muy duros y de poco espesor. Tiene limitaciones. No es recomendable para piezas cilíndricas y esféricas. No es recomendable para valores superiores a 500 HB si la bola del penetrador no es de carburo de volframio. Permite por aproximación conocer el tipo de acero que se ensaya mediante la relación: Félix Abad Casado 11

12 %C = HB Método Vickers. El ensayo Vickers deriva directamente del método Brinell, pero sustituye el penetrador de bola por una pu.nta piramidal de base cuadrada y ángulo en el vértice de 136 entre caras El valor de la dureza es: Hv = F/S (kp/mm 2 ). La superficie S =4. área de una cara. S =4.b/2.OC Características del ensayo Vickers Las cargas aplicadas son mas pequeñas que en el método Brinell (oscilan entre 1 y 120 kp), suelen emplearse cargas de 1, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 100 y 120 kp. La mas empleada es la de 30 kp. Félix Abad Casado 12

13 El tiempo de aplicación oscila entre 10 y 30 segundos, siendo 15 segundos el más empleado. Se utiliza tanto para materiales duros como en blandos y puede aplicarse en piezas muy delgadas (e = 0,2 mm). Puede medir dureza superficial por la poca profundidad de la huella. La expresión de la dureza se indica por una expresion del tipo: 520 Hv 30/15 (520 numero de dureza VICKERS, 30 kg de carga aplicada durante 15 segundos). Método Rockwell. El método Rockwell se diferencia de los anteriores en que la medida de la dureza se hace en función de la profundidad de la huella y no de su superficie. La prueba Rockwell consiste en hacer penetrar, en dos tiempos, en la capa superficial de la pieza un penetrador de forma prefijada y medir el aumento permanente de la profundidad de penetración. La unidad de medida se toma igual a 0'002 mm (2 µ), por lo que la dureza Rockwell viene expresada por un número que indica cuantas veces el aumento contiene a la unidad convencional de medida. F 0 = carga inicial en kp. F I = carga adicional en kp. F = carga total en kp. Características del ensayo. Para materiales blandos (HB < 200) el penetrador es una bola de acero de diámetro = mm (HRb). Para materiales duros (HB > 200) es un cono de diamante de 120 en la Punta (HRc). Los valores de las cargas son: El valor de las penetraciones según la carga es: o Profundidad con carga inicial F 0 vale h o. o Profundidad con carga F 0 + F 1 vale h max. o Profundidad permanente con carga F o al retirar la carga F 1 h p. Realización de la prueba. En cualquiera de los casos HRb o HRc la prueba consta de tres fases: Félix Abad Casado 13

14 1. Aplicación de la carga adicional F 0 = 10 kp para asentar el conjunto. Marca la huella h o. 2. Aplicación de la carga suplementaria F 1 que origina la huella h max 3. Eliminar la carga F 1. Reacción elástica del material que eleva al penetrador una cierta cantidad quedando la huella permanente. El número que se lee sobre la escala del equipo después de retirar la carga F 1 marca la dureza Rockwell correspondiente al valor de la profundidad de huella permanente e. Cada unidad e = 0,002 mm. HRc = e HRb = 130 e En la siguiente figura se muestran los sucesivos pasos a seguir para la realización de la prueba Ensayos dinámicos de dureza. Método Shore. Se basa en la reacción elástica del material sometido a la acción de un percusor que, después de chocar con la probeta a ensayar, rebota hasta una cierta altura. El número de dureza HS se deduce de la altura alcanzada en el rebote. Características del ensayo o No es de gran precisión, pero es muy rápido. o El equipo es fácil de manejar, poco voluminoso y de coste reducido. o Apenas produce deformación en la probeta (no deja huella). o Es muy apto para controlar grandes series y mecanizados al no dañar las piezas ni eliminar posibles capas superficiales tratadas. o Por aproximación experimentada pueden calcularse los valores de otras durezas: o Para fundición gris: un grado HS = 5,25 HB. o Para aceros de contenido medio de carbono: un grado HS =6,65 HB. Félix Abad Casado 14

15 o Al no producir deformaciones, permiten aplicarse a todo tipo de materiales. Método Poldi. Es un método de impacto que consiste en lanzar una bola de acero de 5 mm de diámetro sobre una probeta del material objeto de medida, de manera que el impulso produzca una huella permanente. La dureza se calcula midiendo la huella con una lupa y trasladando el valor a unas tablas que acompañan el equipo Ensayos destructivos de tipo mecánico y estáticos. Ensayo de tracción. Consiste en someter una probeta de material a ensayar a un esfuerzo perpendicular a la sección transversal del cuerpo, que tiende a alargar las fibras produciendo una deformación. La deformación puede ser elástica si el cuerpo deformado recupera las dimensiones iníciales al cesar las cargas que la originaban. O, por el contrario, la deformación puede ser plástica si al eliminar las cargas exteriores el cuerpo queda deformado de manera permanente. La máquina universal de ensayo está provista de dos mordazas que someten a la probeta a esfuerzos longitudinales por medio de mecanismos hidráulicos o mecánicos. En el diagrama destacaremos: Félix Abad Casado 15

16 Límite elástico. Queda definido por el punto E y representa el límite de elasticidad del material; es decir, el punto límite en el que, cuando cesa la fuerza elástica, la probeta es capaz de recuperar su longitud inicial. En este punto, la tensión unitaria máxima que soporta el material sin provocar deformación permanente es igual a: σ E = F E S O Donde F E representa la carga y S 0 la sección inicial. Limite de proporcionalidad. Queda definido por el punto P y representa el límite del material donde los incrementos de longitudes de la probeta () y los esfuerzos (F) son proporcionales. La tensión unitaria en el límite de proporcionalidad es igual al cociente: σ P = F P S O Limite aparente de elasticidad o de fluencia. Queda definido por el punto B, a partir del cual se produce un incremento importante en la longitud de la probeta, sin aumentar significativamente la fuerza de tracción, lo que se traduce en una deformación muy acusada en los materiales plásticos. La denominación de límite aparente de elasticidad se fundamenta en que a partir del punto B comienza la deformación permanente; es decir, el material entra en la zona de plasticidad. Tensión de rotura. Queda definido en el punto R y representa la máxima tensión unitaria admisible que puede soportar la probeta. Límite de rotura. Queda definido en el punto U, y representa la tensión unitaria que soporta la probeta en el momento de romperse. Ensayo de compresión. Estudia el comportamiento de un material al ser sometido a una carga progresivamente creciente de compresión. Se realiza en una máquina universal y persigue el aplastamiento o rotura según el material ensayado. Las probetas son cilíndricas en los metales, con una altura igual al diámetro para evitar la flexión. En los materiales no metálicos las probetas son cúbicas. Este ensayo tiene menor aplicación que el de tracción por dar resultados muy parecidos. Ensayo de cizalladura o cortadura. La cortadura es el esfuerzo que soporta una pieza cuando sobre ella actúan fuerzas contrarias y situadas en planos contiguos que tienden a hacer deslizar entre sí las secciones que actúan. Ensayo de flexión. Se realiza sobre probetas rectangulares fijas en un extremo y móviles en el otro. El Félix Abad Casado 16

17 extremo móvil por el otro. El extremo móvil se somete a una fuerza F perpendicular el eje de forma alternativa, hasta que soporta un número de ciclos determinado o aparecen las primeras grietas. Ensayo de pandeo. El pandeo es el esfuerzo combinado de flexión y compresión que se presenta en piezas sometidas a carga axial, cuando su sección transversal es pequeña en relación a la altura o longitud. Es un ensayo de aplicación para analizar las deformaciones en vigas, barras o columnas cargadas. Tiene gran utilidad en construcción para observar cómo responden las vigas de edificios y naves industriales. Ensayo de torsión. Se realiza sobre probetas de sección circular, fijas en un extremo y móviles por el otro. En el extremo móvil se somete a un movimiento de torsión alternativo; los esfuerzos tangenciales a los que están sometidos las fibras de la probeta cambian continuamente de sentido Ensayos destructivos dinámicos. Ensayo de resiliencia. El ensayo de resiliencia consiste en romper de un solo golpe, en una máquina específica, una probeta con dimensiones normalizadas. El fundamento del ensayo consiste en determinar la energía que absorbe la probeta hasta que se rompe. A la energía que absorbe la probeta por unidad de superficie expresada en mm 2 se denomina resiliencia. La resiliencia valora de forma muy aproximada la tenacidad del material. La máquina más utilizada para el ensayo de resiliencia es el péndulo de Charpy. Félix Abad Casado 17

18 Para llevar a cabo el ensayo de resiliencia se coloca la probeta en la base rígida, con la entalla hacia el exterior y centrada respecto al golpeo del martillo. El martillo, se coloca a la altura h 0 ; seguidamente se suelta el martillo, que rompe la probeta y continua girando hasta alcanzar la altura h 1. Métodos para el cálculo de la resiliencia. a) Se conocen las alturas inicial y final del martillo. ρ = F. (h0 h1) S b) Se conocen los ángulos inicial, α, y final, β, y la longitud L del brazo martillo. Ensayo de fatiga. ρ = F. L. (cosβ cosα) S El ensayo de fatiga permite medir la resistencia que presenta un material a esfuerzos repetidos que, siendo variables en sentido y magnitud, e inferiores a los de rotura o límite elástico, pueden provocar su rotura. La mayor parte de mecanismos y órganos de máquinas están sometidos a esfuerzos variables, que se repiten con cierta frecuencia (ejes, árboles, ruedas, bielas, cojinetes, engranajes..) El procedimiento más lógico para conocer el comportamiento de piezas en servicio es someterlas a un ensayo de duración en condiciones lo más similares posibles a las que tenga que trabajar. Este ensayo que tiene en consideración la acción de las cargas y el efecto que producen en el tiempo recibe el nombre de ensayo de embutición Ensayos tecnológicos. Este grupo de ensayos se diferencian fundamentalmente del resto en el hecho de que, con ellos, no se pretenden 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 de aquel. Ensayo de plegado. Sirve para estudiar las características de plasticidad de los materiales metálicos. Para ello, 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 frio y en caliente según condiciones normalizadas. Las probetas son prismáticas, de sección rectangular, pulidas, y la cara de tracción tiene las aristas redondeadas. Félix Abad Casado 18

19 Ensayo de embutición. El ensayo de embutición sirve para conocer la capacidad de deformación que tienen las chapas y flejes de aceros bajo la acción de un punzón. El proceso de embutición se realiza en la máquina de ensayo Erichsen y consiste en introducir un trozo de chapa o fleje en la máquina de ensayo, fuertemente aprisionada en una matriz. Sobre la chapa o fleje incide un punzón que va penetrando en el material hasta que se produzca la primera grieta. En ese momento se detiene la máquina y se mide la profundidad del punzón. El valor de la longitud, medida en mm, será el valor de la embutición. Ensayo de la chispa. Es un ensayo que permite, por comparación con probetas patrón, conocer las características de composición de un acero, analizando el haz de chispas producidas por la acción de una muela de esmeril sobre la probeta Ensayos no destructivos. Tienen por objeto descubrir y localizar defectos en la superficie o en el interior de los materiales. En general, estos ensayos se aplican a piezas terminadas y, por tanto, no deben dañar ni dejar huella alguna. Estos ensayos son muy útiles y se aplican extensiva y sistemáticamente, no solo para el examen de las piezas o productos terminados, sino también para revisar periódicamente piezas que estan en servicio. Ensayos magnéticos. Esta clase de ensayos se efectúan por medio de aparatos cuya construcción está basada en el conocimiento de las aplicaciones del campo magnético: distorsión de líneas de fuerza, efectos de atracción de un campo magnético constante y efectos de inducción de un campo alterno. Puede conseguirse la detección de defectos, medidas Félix Abad Casado 19

20 de espesor, ensayos comparativos con probetas, patrones etc. Los ensayos se efectúan empleando hierro en forma de polvo finísimo. Este se deposita sobre la superficie del material a ensayar, provocando su imantación. Así se produce una variación de flujo traducida en un aumento de la resistencia magnética, debida a la presencia de defectos y a las perturbaciones originadas en el campo. Este ensayo únicamente tiene finalidad cuando se trata de materiales de naturaleza ferromagnética y tratándose de defectos superficiales o muy próximos a la misma. Entre los materiales ensayados pueden citarse: lingotes, barras y materiales laminados, piezas forjadas y moldeadas, soldaduras, etc. Es necesario un dispositivo para imantar, total o parcialmente, la pieza, con circulación de corriente, o sin ella, y un elemento de detección como polvo magnético bien seco o al estado de suspensión en un Iíquido apropiado. Ensayos eléctricos. Están fundados en efectos electrostáticos y efectos electrodinámicos. El método más interesante radica en la variación que experimenta la resistencia de un material cuando en él se encuentra un defecto superficial La relación R = ( x L)/ S, sirve para demostrarlo, bien por variar el cociente L/S o bien por variar. Por medio de dos cabezas, a y b, se estable un campo eléctrico, que debe permanecer constante si el material es homogéneo, pero que varía si existe un defecto. Ensayos por líquidos penetrantes. Los ensayos con líquidos penetrantes tienen como finalidad detectar fisuras en los sólidos no porosos. El método se basa esencialmente en lo siguiente: el líquido, una vez aplicado sobre la superficie de la pieza o elemento, penetra por capilaridad en las discontinuidades. Una vez eliminado el exceso de líquido, el que ha permanecido retenido en la discontinuidad puede ser observado sobre la pieza. Se detectarán a simple vista una o varias líneas coloreadas que mostrarán las grietas existentes. Los líquidos utilizados pueden ser de dos tipos: fluorescentes o coloreados. Ensayos estructurales. La estructura de los materiales puede observarse por procedimientos micrográficos y macrográficos. Los ensayos macroscópicos o macrográficos permiten la localización de grietas, porosidades o rechupes a simple vista o con ampliación de hasta 15 aumentos, ya que los defectos son superficiales. Ensayos de rayos X. Los rayos X son radiaciones electromagnéticas con longitud de onda de 10-7 mm, lo que permite atravesar materiales que resultan opacos a la luz visible. Estos rayos se generan mediante el tubo de Rotgen, formado por una ampolla de vidrio especial que Félix Abad Casado 20

21 contiene en su interior dos electrodos de cobre y un anticátodo de wolframio. Alimentado independientemente por corriente de baja tensión. Ensayos de rayos gamma. Los rayos gamma son radiaciones electromagnéticas que tienen una longitud de onda de mm, lo que les permite atravesar materiales opacos para la luz y los rayos X. Se generan durante la desintegración de átomos de radio y algunos isótopos artificiales. Las propiedades de los rayos gamma son las mismas que los rayos X, solo que los primeros son más penetrantes y pueden atravesar espesores mayores. El equipo par examen con rayos gamma está formado por las siguientes partes: o o Un soporte con trípode magnético, una articulación esférica, un brazo que en su extremo soporta el contenedor de la cápsula radioactiva. Un soporte rígido sobre el que se apoya un chasis portapiezas en el que va situada la placa fotográfica inserta entre dos láminas de plomo. El uso de rayos gamma en los controles no destructivos se va extendiendo cada vez más, porque las fuentes radioactivas, gracias a sus pequeñas dimensiones, permiten el reconocimiento de zonas poco accesibles para los rayos X. Se utilizan especialmente para grandes piezas, uniones soldadas y conducciones ya instaladas. Ensayos de ultrasonidos. La verificación de materiales por ultrasonidos utiliza la propagación del sonido, tanto en sólidos como en líquidos, para realizar un control no destructivo de cualquier material que sea susceptible de ser atravesado por estos. El funcionamiento de los equipos de ultrasonido es el siguiente: un emisor de ultrasonido produce un haz sónico, que atraviesa la pieza y detecta las discontinuidades. En Félix Abad Casado 21

22 la cara contraria se sitúa un palpador receptor de las ondas o impulsos, que las amplía y transforma en señales luminosas. Esas señales las envía a una pantalla que posee una escala, gracias a la cual se puede calcular la profundidad del defecto. Félix Abad Casado 22