2 Unidad CARACTERISTICAS

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1 2 Unidad CARACTERISTICAS MECANICAS DE LOS MATERIALES 1 INDICADORES DE PROPIEDADES RESISTENTES Los materiales se requieren para transmitir la energía mecánica entre ciertas partes de una máquina. Las variables que determinan la energía mecánica son las fuerzas y los desplazamientos. Los materiales constituyen los componentes y reaccionan con esfuerzos y alargamientos oponiéndose a las solicitaciones. Es lo que se denomina características mecánicas de los materiales o capacidad de transmitir o soportar las variables de energía mecánica. El diseño óptimo de una pieza, o máquina como conjunto de piezas, requiere el compromiso de la buena conformación, de acuerdo con las funciones específicas, y el buen dimensionamiento, de acuerdo con la adecuada selección del material. La selección y el dimensionamiento requieren el conocimiento de los índices que califican y cuantifican las cualidades de cada uno de los materiales alternativos que son aptos para realizar una pieza. La determinación de los índices que miden las cualidades, o características de respuesta de los materiales ante un determinado requisito, se realiza por medio de ensayos estandarizados. Estos deben suministrar los parámetros de respuesta de los materiales que permitan seleccionarlos; bien a través de valores absolutos, que permiten el dimensionamiento, o bien por valores relativos, que definen niveles de aceptación. Los ensayos son tan diversos como diversas son las características o cualidades que les exigimos a las piezas o a su material. Pongamos por ejemplo un gancho de izado de una grúa. Le exigiremos unos niveles determinados en la resistencia a tracción, en la resistencia al impacto, en el número de izadas de servicio que ha de resistir, en la inoxidabilidad en atmósferas industriales, etc. Evidentemente cada exigencia requiere un ensayo específico que cuantifique esas características. Los principales ensayos que se requieren para calificar las características resistentes de los materiales pueden clasificarse como: a) Estáticos; que simulan el comportamiento del material con pequeñas velocidades de aplicación de las cargas. Distinguiremos entre ellos: FCM 2 / 15

2 tracción, fluencia, fractura, y, dureza. Unidad 2 - Características mecánicas de los materiales b) Dinámicos; que modelizan el comportamiento frente a cargas variables con el tiempo. Distinguiremos entre ellos: fatiga, y, resiliencia. Su campo de aplicación es general, y fundamental, en Ingeniería. El ensayo de tracción es el primer ensayo, en importancia, obligatorio para conocer las características resistentes de los materiales metálicos, cerámicos y también poliméricos y compuestos, a la temperatura ambiente. El ensayo de fluencia es un ensayo obligado para conocer las características resistentes de los materiales metálicos y compuestos cuando la temperatura de servicio es media o alta, superior a los 300 C. Pero también es aplicable a temperaturas ambientales para materiales de tipo polimérico o metales de bajo punto de fusión que muestran este fenómeno a esas temperaturas. El ensayo de tenacidad en fractura es obligado para calcular el riesgo de aparición de la fractura súbita de un material y para relacionar las tensiones de cálculo asociadas. El ensayo de dureza es una herramienta básica para controlar, de forma rápida, las características de tracción de los materiales. El ensayo de fatiga tiene una extensa aplicación; la de todas aquellas piezas que se encuentren sometidas a esfuerzos o tensiones variables: motores, máquinas, etc. El ensayo de resiliencia es un requisito ineludible de calidad de los materiales, exigido para demostrar su tenacidad de forma sencilla. En general todos los ensayos citados se aplican para analizar y controlar la calidad de los productos aplicados y elaborados en la fabricación de máquinas e ingenios. 2 EXPERIENCIAS SOBRE LAS CARACTERISTICAS MECA- NICAS DE LOS MATERIALES 2.1 ENSAYO DE TRACCION Es un ensayo que tiene por objetivo definir la resistencia elástica, resistencia última y plasticidad del material cuando se le somete a fuerzas uniaxiales. Se requiere una máquina, prensa hidráulica por lo general, capaz de: a) Alcanzar la fuerza suficiente para producir la fractura de la probeta. b) Controlar la velocidad de aumento de fuerzas. c) Registrar las fuerzas, F, que se aplican y los alargamientos, L, que se observan en la probeta. FCM 2 / 16

3 La figura 2.1 representa un esquema de la máquina universal de ensayos de 100 kn y el esquema de los registradores de fuerza, F, y desplazamiento, L, montados sobre la probeta. Las probetas son normalizadas, cilíndricas o planas, admitiendo secciones variables, S 0, si bien están correlacionadas con la longitud de la probeta, L 0, a través de un modelo del tipo: L 0 = K S 0 (2.1) siendo K un factor de proporcionalidad definido por la norma. La figura 2.2 muestra la probeta cilíndrica según la norma EN Objetivo de la experiencia Analizar la información que suministra el ensayo de tracción bajo carga axial de un material. Cuantificar los parámetros indicadores Procedimiento de ensayo a) b) Figura 2.1. a) Máquina universal de ensayos de tracción. b) Montaje del extensómetro en la probeta Figura 2.2 Probeta normalizada, EN a) Elaborar probetas de acero dulce AE235, EN 10025, de 10 mm de diámetro y K = 5.65, EN 10002/1 b) Marcar las partes cilíndricas con dos granetazos separados la longitud L 0. c) Montar la probeta en las mordazas de la prensa y aumentar la carga F con una velocidad v p = 10 mm/min hasta una carga de 1500 Kg. Después volver a 0 la carga registrando las deformaciones permanentes L. d) Montar una segunda probeta y volver a ascender las cargas con velocidad v p = 10 mm/min, hasta alcanzar la carga de 2400 Kg y descender hasta 0 registrando las cargas y las FCM 2 / 17

4 deformaciones. Unidad 2 - Características mecánicas de los materiales e) Montar la tercera probeta y volver a cargarla con velocidad v p hasta la rotura registrando en cada momento la carga F y el alargamiento L. f) Juntar las dos medias probetas y medir la longitud L r que existe entre los dos granetazos, y el diámetro de rotura d r Resultados obtenidos del ensayo de tracción Medición de las características de las probetas, antes del ensayo: L 0 = d 0 = Medición de las características de las probetas con posterioridad a la rotura: L r = d r = Carga elástica = Carga máxima = Cálculo de los parámetros característicos del ensayo, Límite de elasticidad, carga de rotura, alargamiento hasta rotura, estricción: 2.2 ENSAYO DE FLEXION Objetivo de la experiencia Conocer los fundamentos del ensayo de flexión. Observar el comportamiento plástico y elástico de los materiales Materiales, procedimiento de ensayo, equipo y probetas FCM 2 / 18

5 2.2.3 Resultados obtenidos a) b) Figura 2.3. Resultados de flexión en: a) aluminio, b) policarbonato. 2.3 ENSAYO DE FLUENCIA. Se define que un material trabaja a fluencia cuando experimenta alargamientos crecientes en función del tiempo, aún para cargas aplicadas constantes. Los ensayos de fluencia se realizan para analizar las características resistentes de los materiales en las condiciones que muestran un comportamiento viscoelástico. El comportamiento viscoelástico es característico de materiales plásticos a temperatura, incluida la ambiente; y también materiales metálicos en ciertos rangos de temperaturas. El equipo de ensayo es una máquina de ensayos de tracción provista de un horno, contenedor de la probeta, con control de la temperatura de ensayo, como se observa en la figura 2.4. Como en el ensayo de tracción, deben registrarse las deformaciones, L, medidas sobre la probeta, y además los tiempos transcurridos, t e, en correspondencia con las deformaciones sufridas. El ensayo de fluencia se realiza habitualmente según el procedimiento, que se comenta a continuación, que considera el objetivo de correlacionar deformaciones, L, y tiempos, t, para una carga, F, y temperatura, T, constantes (CREEP). Es el siguiente: a) Marcar la longitud de la probeta con dos granetazos separados l 0 mm. Figura 2.4. Equipo de fluencia a elevadas temperaturas. b) Montar la probeta en las mordazas de la prensa y en el interior del horno de calentamiento. FCM 2 / 19

6 c) Efectuar la elevación de temperatura hasta alcanzar la temperatura de ensayo, T e. d) Elevar la carga de la prensa hasta el nivel requerido, F i, en el que se obtiene respuesta de fluencia en el material, y mantener la carga hasta la fractura. e) Registrar para cada ensayo la sucesión de los valores de las variables F i, L, T e y t. f) Repetir el ensayo para otras combinaciones de las variables T e y F i Objetivo de la experiencia Conocer el comportamiento mecánico característico de los materiales metálicos a alta temperatura (Se considera alta temperatura cuando ésta es superior a 0,5 T fusión K) Materiales, procedimiento de ensayo, equipo y probetas Resultados obtenidos Figura 2.5. Resultado obtenido en el ensayo de fluencia a temperatura ambiente. 2.4 ENSAYO DE FATIGA. Se define que un material trabaja a fatiga cuando soporta cargas que varían cíclicamente con el tiempo. Si en los ensayos estáticos, tracción y fluencia, podía aproximarse que df/dt 0, en fatiga df/dt 0 en cualquier momento del servicio. El ensayo de fatiga tiene por objetivo analizar las características resistentes de los materiales cuando trabajan bajo cargas variables. Entre los parámetros fundamentales que califican el comportamiento característico ante la fatiga de los materiales están: A - La cinética de la carga aplicada en el tiempo. B - Tipo de tensiones engendradas en la pieza, como consecuencia de la aplicación de la carga. Entre ellas citaremos: Axiales originadas por tracción o compresión. Axiales originadas por flexiones. Cortantes causadas por torsión. Combinadas. FCM 2 / 20

7 C - Tipo de trabajo característico del conjunto de la pieza en la máquina. Entre ellos citamos: Tracción. Flexión plana. Flexión rotativa. Torsión. El tipo de trabajo, tipo de tensiones y cinética de la carga determina una gran variedad de ensayos de fatiga. Figura 2.6. Máquina de fatiga de flexión rotativa. Velocidad angular, rpm. El ensayo de fatiga más universal, por la sencillez de la máquina de ensayo, es el de flexión rotativa, que se representa en la figura 2.6. Consiste en un motor que arrastra un eje giratorio, sobre el que se monta una probeta que queda en voladizo. Sobre este extremo volado, gravita una carga P, la que se mantiene sin giro por el rodamiento que las liga. La máquina para ensayos de fatiga debe permitir el control y registro de los parámetros de ensayo, siguientes: Cargas aplicadas, F. Contador de vuelta de la probeta, n. Un procedimiento de ensayo de fatiga típico sería el siguiente: a) Elaborar probetas cilíndricas de acero AE 275 para ensayos de fatiga de flexión rotativa, según norma UNE b) Calcular la carga F i que induce tensiones axiales σ i en la generatriz de la probeta en su sección de empotramiento, S, del orden de x% del límite elástico L e. Considerar el valor obtenido en el ensayo de tracción. c) Someter la probeta a tensiones σ i, mediante la carga F i, controlando, mediante paradas secuenciales, la iniciación de la grieta de fatiga. Registrar los ciclos n gi que determinan la iniciación de esta grieta. d) Proseguir el ensayo registrando, mediante paradas secuenciales, el tamaño de la grieta y el número de ciclos n ci transcurridos hasta la aparición de la fractura total. e) Observar las fracturas de fatiga. f) Realizar esta secuencia para las cargas F i que inducen tensiones de 30, 40, 50, 60 y 80% del límite elástico, L e Objetivo de la experiencia Conocer los fundamentos de ensayos normalizados de fatiga, a flexión rotativa, y ensayos de fatiga sobre componentes reales de máquinas. FCM 2 / 21

8 2.4.2 Materiales, procedimiento de ensayo, equipo y probetas Unidad 2 - Características mecánicas de los materiales Objetivos del ensayo de fatiga sobre componentes reales 2.5 ENSAYO DE RESILIENCIA La condición fundamental que determina el ensayo de resiliencia es la velocidad de aplicación de cargas, la que corresponde a la caída libre de una carga ligada a un péndulo. Una máquina universalmente aplicada es el péndulo de Charpy que se observa en la figura 2.7. El péndulo Charpy dispone de una masa M montada en el extremo del brazo, de longitud l, que pivota en el centro A. El ensayo de resiliencia consiste en golpear una probeta apoyada en s con la masa del péndulo que ha sido abandonada en caída libre desde una altura prefijada H. La energía absorbida, E a, por la probeta para producir su fractura es la medida de la tenacidad del material en las condiciones del ensayo. Los parámetros primarios que definen el campo de resiliencia son: a) Velocidad de impacto en la probeta, v. b) Energía cinética en el punto de alcanzar la probeta, E c. Figura 2.7. Péndulo Charpy de 25 julios. Estos parámetros son función de las variables de ensayo del péndulo (M, H o α) a través de las expresiones conocidas: v = (2 g H) ½ = [2 g l (1 - cos α)] ½ (2.2) E c = g M H = g M l (1 - cos α) (2.3) FCM 2 / 22

9 La energía absorbida por la probeta en su fractura E a se cuantifica por la diferencia de alturas de la masa del péndulo desde su posición inicial H y su posición final h, que forma un ángulo α', después de efectuar la fractura. Si se desprecian resistencias pasivas, la energía absorbida viene definida por: Las probetas pueden ser de formas variables. Su variabilidad es determinada por los dos parámetros siguientes: a) Forma de la entalla que se le practica en el centro de la barreta prismática, que definen por si mismo tipos de ensayo, como el Charpy en U o en V, Izod, DVM, etc. b) Tipo de apoyo de la probeta en el péndulo, utilizándose: 1. Dos apoyos en los extremos, probeta biarticulada; por ejemplo el ensayo Charpy. E a = g M l (cos α' - cos α) (2.4) 2. Empotramiento en un extremo; por ejemplo el ensayo Izod Objetivo de la experiencia Conocer los fundamentos y análisis de resultados del ensayo de resiliencia para la determinación de la tenacidad de los materiales Procedimiento de ensayo. a) Elaborar probetas de acero dulce AE 235 con dimensiones normalizadas EN , y entallas siguientes: P1 - P2 - P3 - Entalla en V, radio de fondo 0.25 mm, 15 unidades. Entalla en V, radio de fondo 0.50 mm, 3 unidades. Entalla en V, radio de fondo 0.75 mm, 3 unidades. b) Elevar la masa M del péndulo Charpy hasta una altura que forme un ángulo a, variable, con la vertical. c) Mantener las probetas en congelador hasta alcanzar las temperaturas seleccionadas, T i. d) Situar las probetas seleccionadas, P1, P2 o P3, en el portaprobetas coincidiendo la entalla con el recorrido del centro de la masa. e) Soltar la masa del péndulo que producirá la fractura de la probeta. f) Tomar mediciones de: La sección neta de la probeta a x b. El ángulo α' después de la fractura. Figura 2.8. Montaje de la probeta en el Péndulo Charpy. FCM 2 / 23

10 El ángulo ß formado por las dos medias probetas fracturadas, al juntar sus secciones complementarias. La sección media de fractura a' x b'. La morfología de las secciones fracturadas, diferenciando: Zona brillante cristalina. Zona gris Resultados obtenidos del ensayo de resiliencia. ENSAYO Nº ANGULO α i PROBETA P i P1 P1 P1 P2 P3 P1 P1 TEMPERATURA T i C SECCION axb, S mm ANGULO ß SECCION a'xb', S u mm 2 SUPERFICIE GRIS, S g mm 2 SUP. BRILLANTE, S b mm 2 RESILIENCIA kgm/cm 2 VELOCIDAD CARGA,v c m/s RELACION S u /S % 2.6 ENSAYOS DE DUREZA Desde el punto de vista físico se define la dureza como la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados por otros con los que se compara Ensayo Brinell En el ensayo de dureza Brinell el penetrador es una bola de acero extraduro de diámetro D, que se apoya sobre la probeta a estudiar; ejerciendo sobre la misma una fuerza P durante un tiempo t dado, aparece una huella de diámetro d sobre el metal, figura 2.9. La dureza Brinell viene definida por: HB = P/S (2.5) siendo S la superficie de la huella, casquete esférico. P se expresa en kg fuerza y S en mm 2. También puede expresarse de la siguiente manera: Figura 2.9. Esquema del ensayo de dureza Brinell. FCM 2 / 24

11 HB = 2P ( D - d ) 2 2 πd D - (2.6) La selección de las cargas, P, y diámetros, D, es una función del espesor de la pieza a ensayar, pues los resultados de dureza quedan falseados cuando pequeños espesores son ensayados con grandes cargas. La normas DIN 50351, indica la forma de selección de las cargas, materiales y diámetro de bolas, estableciendo para cada material una relación entre la carga y el cuadrado del diámetro, la cual constituye la constante del ensayo, C e : C e = P/D 2 (2.7) Se consigue obtener unidades Brinell de dureza equiparables para una misma aleación, si se mantiene constante, para distintas cargas de ensayo, el parámetro C e. En consecuencia, el tipo de ensayo Brinell queda definido por: el diámetro de la bola, D, la carga, P, y el tiempo de permanencia de la carga, t. Cada tipo de ensayo Brinell, se expresa en la forma,[n HB D/P/t ] Ensayo Vickers El ensayo de dureza Vickers es, como el Brinell, un ensayo cuyo objetivo es la determinación de la superficie lateral, S, de la huella. El penetrador es una pirámide de diamante de base cuadrada, cuyo ángulo en el vértice es de 136, figura S = d 2 /2 sen68 (2.8) con lo que: HV = 2P sen68 /d 2 = P/d 2 (2.9) La selección de la carga se realiza en función inversa a su dureza. La norma UNE establece los distintos aspectos de este ensayo. Como en el ensayo Brinell, la aplicación de la carga se realiza con una velocidad mínima, v m, y se requiere un tiempo mínimo de permanencia, t, entre 15 y 20 segundos generalmente. La denominación de la dureza obtenida se realiza citando las siglas HV seguido de la carga utilizada, P, y del tiempo de permanencia, t, separado por barras, por ejemplo, [nhv/p/t] Ensayos Rockwell. En los ensayos de dureza Rockwell, las unidades de dureza se establecen por la medida de la profundidad, e, de la huella de acuerdo con el modelo: El ensayo es aplicable a todo tipo de materiales metálicos: Figura Penetrador Vickers HR = A - e (mm)/0.002 (2.10) a) Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar al del ensayo Brinell, con diámetros de bola y cargas normalizados para cada tipo de ensayos. 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. FCM 2 / 25

12 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. La denominación de la dureza Rockwell ensayada es por escalas, de A a L, que identifica la precarga, carga y tipo de penetrador, según se especifica en la tabla siguiente. 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 Cono de diamante Aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y revenidas. D 100 Cono de diamante Acero superficialmente cementado. E 100 Bola de 1/8" Hierro fundido, aleaciones de aluminio y magnesio. F 60 Bola de 1/16" Bronce y cobre recocidos. G 150 Bola de 1/16" Cobre al berilio, bronce fosforoso, etc. H 60 Bola de 1/8" Placa de aluminio. K 150 Bola de 1/8" Hierro fundido, aleaciones de aluminio. L 60 Bola de 1/4" Plásticos y metales suaves, como el plomo. Con el objeto de obtener ensayos reproducibles, la máquina obtiene el valor "e", por incrementos de las cargas aplicadas de acuerdo con la secuencia siguiente, figura 2.11: 1 - Aplicación de una carga previa, F 0 = 10 kg. Esta sirve para tomar una referencia h 0, independiente del estado superficial. 2 - Aplicación de la sobrecarga de ensayo, F 1, con lo que se alcanza h Eliminación de la sobrecarga F 1, con lo que se recupera la deformación elástica y se conserva la remanente. La profundidad alcanzada es h. 4 - La profundidad de la huella viene definida por: Ensayos Shore Figura Secuencia de cargas, F, y profundidades en el ensayo Rockwell. e = h - h 0 (2.11) La dureza puede evaluarse a través de la cualidad que muestran los materiales de devolver FCM 2 / 26

13 la energía potencial recibida, de 0, por impacto de una masa que contacta con una determinada velocidad. El grado de endurecimiento, dh, es función inversa de la energía absorbida de a. Es decir: cumpliéndose que: dh = f (1/dE a ) (2.12) de a = de 0 - de c (2.13) El equipo para medir la dureza elástica se denomina escleroscopio, que es un dispositivo para medir la altura de rebote de un pequeño martillo, con punta de saúco o diamante, después de que cae por su propio peso desde una altura definida sobre la superficie de la pieza a prueba. La dureza elástica se aplica de forma auxiliar para determinar el grado de endurecimiento de los materiales que muestran una correlación clara con el ciclo de histéresis s-e, como son los materiales metálicos, y fundamentalmente, en aquellos, como los cauchos, en que la característica de amortiguamiento es muy importante y no puede utilizarse ningún otro método de dureza Objetivo de la experiencia Conocer los métodos más usuales de determinación de durezas en materiales, sus aplicaciones y limitaciones Materiales empleados Descripción del proceso y equipos Figura Equipo universal de durezas Brinell y Rockwell. FCM 2 / 27

14 2.6.7 Resultados obtenidos Figura Aplicación del penetrador en el durómetro. FCM 2 / 28

15 3 CUESTIONES PROPUESTAS POR LAS EXPERIENCIAS 1 - Qué parámetros proporciona la máquina de ensayos de tracción, directamente? 2 - Qué parámetros deben conocerse de la probeta de tracción? 3 - Indica los parámetros que definen el comportamiento plástico de un material. 4 - Indica los parámetros obtenidos en un ensayo de tracción que son aplicación en el cálculo de elasticidad. 5 - Diferencia la respuesta entre un material tenaz y otro frágil. 6 - Indica las causas por las que no es aplicable la teoría de elasticidad cuando el material está sometido a fluencia a alta temperatura. 7 - Cómo influye la geometría de la entalla sobre la medida de resiliencia obtenida? 8 - Puede estimarse el comportamiento tenaz de un material por la observación de la fractura en el ensayo de resiliencia? 9 - Indica de qué parámetros depende el nivel de tensiones de trabajo en la pieza para conseguir una vida en servicio determinada, para piezas sometidas a esfuerzos alternados En la curva de Wholer de un material, defina la posición del valor R (Carga de rotura en el ensayo de tracción) y el valor L.F. (Límite de fatiga) Selecciona el método de ensayo más adecuado para determinar la dureza de: a) Pieza de fundición gris (180 HV) b) Perfil estructural de acero (R = 410 MPa) c) Eje de acero (600 HV) d) Chapa de 0,5 mm de espesor (100 HV) e) Profundidad de una capa o recubrimiento (1000 HV) 12 - Por qué es necesario efectuar una precarga en los ensayos Rockwell? FCM 2 / 29

16 ALUMNO APELLIDOS: GRUPO DE PRÁCTICAS: NOMBRE: FECHA DE ENTREGA: RESPUESTAS DE LAS CUESTIONES A RESOLVER FCM 2 / 30