Nuestro amigo de la historia inicial ya sabe cómo son "por dentro" muchos materiales.

Transcripción

1 Nuestro amigo de la historia inicial ya sabe cómo son "por dentro" muchos materiales. Pero ahora quiere saber cómo elegir el más adecuado para su puente. Y el más adecuado quiere decir el que mejor soporte el peso de los viandantes que pasen por él, el fuerte cierzo que sopla muchas veces, las diferencias térmicas, el efecto de las uniones remachadas en las estructuras metálicas... Para eso tendrá que estudiar las propiedades mecánicas de los materiales. Cuando se tiene que elegir un material industrial que debe cumplir una función determinada, es imprescindible conocer las características físicas y técnicas que tiene. Debemos conocer a qué tipo de esfuerzos, cargas y solicitaciones va a estar sometido, para elegir el material que sea capaz de soportar esas situaciones de uso sin sufrir deformaciones y roturas. Imagen 1. Wikimedia. Creative Commons. Imagen 2. Wikimedia. Creative Commons. Para determinar las características del material debemos someter a los materiales a ensayos que simulen las condiciones en que van a trabajar. La realización de los distintos ensayos está regulada por la normativa vigente, para garantizar su comportamiento y prever la respuesta que dará en situaciones de trabajo. Tecnología Industrial II Página 1 de 33

2 El comportamiento mecánico de un material es la relación entre su respuesta o deformación ante una solicitación aplicada. Estas solicitaciones suelen ser de tracción, compresión cortadura y torsión. Antes de empezar a conocer todos los ensayos haremos una pequeña introducción de cómo las cargas actuan sobre los materiales y de los conceptos de tensión y deformación. Tipos de fuerzas o cargas aplicadas a los materiales. En las siguientes imágenes vemos la representación esquemática de cuál es el efecto de las diferentes cargas: una fuerza de tracción produce una elongación y una deformación positiva lineal. una carga de compresión produce contracción y deformación lineal negativa. un esfuerzo de cortadura. una deformación de torsión generada por un par de fuerzas. Las líneas punteadas representan la forma de nuestra probeta antes de la deformación y las líneas sólidas representan el cuerpo después de la deformación. Imagen 3. Elaboración propia. Imagen 4. Elaboración propia. Imagen 5. Elaboración propia. Imagen 6. Elaboración propia. Recuerda del curso pasado: Una carga de tracción sobre una probeta provoca un alargamiento y un engrosamiento de ésta. La cortadura sobre una pieza primática produce un desplazamiento de sus caras paralelas. Tensión y deformación Consideremos una varilla cilíndrica de longitud l o y una sección transversal de superficie S o, sometida a una fuerza F uniaxial Tecnología Industrial II Página 2 de 33

3 (dirigida en el sentido longitudinal del eje), como indica en la figura. Imagen 7. Elaboración propia. Vemos que la barra se alarga desde su longitud inicial, l o, hasta una longitud final, l. Esa diferencia de longitudes será la deformación de nuestra varilla, aunque a continuación la definiremos de una forma un poco distinta. Definimos la tensión σ en la barra como el cociente entre la fuerza uniaxial media F y la sección transversal original So de la barra. Se mide en Pascales (S.I.), que es el cociente entre Newton y metros cuadrados, aunque se suele expresar en Megapascales, ya que así podemos expresar la superficie en mm 2, que es más coherente con las medidas que suelen presentar las secciones de las piezas. Definimos la deformación e en la barra como el cociente entre la variación de longitud de la barra respecto a la longitud inicial de ésta. Como puede deducirse de la fórmula, la deformación es una magnitud adimensional. En la práctica es común convertir la deformación en un porcentaje de deformación % Tecnología Industrial II Página 3 de 33

4 Deformación elástica y plástica Cuando una probeta se somete a una fuerza uniaxial, se produce una deformación. Si el material vuelve a sus dimensiones originales al cesar la fuerza, se dice que el material ha sufrido una deformación elástica, ya que los átomos del material son desplazados de su posición original, pero no hasta el extremo de que tomen nuevas posiciones fijas. Así cuando la fuerza cesa, los átomos vuelven a sus posiciones originales y el material recupera su forma original. Si el material es deformado hasta el punto que los átomos no pueden recuperar sus posiciones originales, se dice que ha experimentado una deformación plástica. Estricción Una vez aplicada la carga máxima a la probeta, se produce un estrangulamiento en su zona central. A la variación de la sección de la probeta respecto a su sección inicial se le denomina estricción ψ. Esta disminución de la sección de la probeta provoca que la tensión de rotura sea inferior a la máxima aplicada y esta diferencia entre la tensión de rotura y la aplicada es tanto más apreciable cuanto mayor es la ductilidad del material. También se expresa en %, por lo que la estricción se define como la disminución relativa porcentual de la sección transversal de la probeta en el momento de la rotura. Imagen 8. Wikimedia. Creative Commons. Cuando aplicamos una fuerza a una probeta, la tensión depende de: Sólo de la fuerza que aplicamos sobre la probeta. De la fuerza que aplicamos sobre la probeta y de la sección de ésta. De la deformación que ha sufrido la probeta. Cuando aplicamos una carga a una probeta y ésta se deforma, la deformación experimentada dependerá de: La carga aplicada. Lo que se ha alargado la probeta. Lo que se ha ensanchado la probeta. Tecnología Industrial II Página 4 de 33

5 En una deformación elástica: El material deformado recupera sus dimensiones originales al cesar la fuerza. Los átomos del material deformado son desplazados de su posición original. Los átomos del material deformado son desplazados de su posición original y toman nuevas posiciones fijas. La estricción: Es la variación de sección que experimenta una probeta cuando le aplicamos una carga respecto a su sección inicial. Es un estrangulamiento que se produce en la zona central de una probeta cuando le aplicamos una carga. Es la disminución relativa porcentual de la sección transversal de la probeta cuando le aplicamos una carga en el momento de la rotura. Tecnología Industrial II Página 5 de 33

6 Nuestro investigador cree que una acero 1030 será el adecuado para construir el puente. Pero habrá que comprobarlo. Las barras que triangulan el puente están sometidas a tracción, por lo que habrá de comprobar cómo se comporta nuestro material. Tendremos que hacer un ensayo de tracción. El ensayo de tracción es el modo de obtener información sobre el comportamiento mecánico de los materiales cuando están sometidos a un esfuerzo de tracción. Todo el proceso del ensayo está normalizado según las normas UNE. El ensayo de tracción se realiza mediante una máquina universal de tracción que provoca la deformación de una probeta del material a ensayar al aplicarle una carga progresiva en sentido axial. Imagen 9. Wikimedia. Creative Commons. La probeta se sujeta por sus extremos en la máquina por medio de mordazas que a su vez someten la muestra a tensión progresiva. Esta carga provoca que la probeta se vaya alargando en longitud y adelgazando en sección (estricción) de un modo progresivo hasta alcanzar la fractura de la pieza. Es, por tanto, un ensayo destructivo y, para que sea válido, la rotura debe producirse en la zona central de la probeta. Tecnología Industrial II Página 6 de 33

7 Imagen 10. Wikimedia. Creative Commons. Imagen 11. Wikimedia. Creative Commons. La máquina, simultáneamente, mide la carga aplicada instantáneamente y la deformación resultante,y en un papel milimetrado se relacionan los datos de la fuerza (carga) aplicada a la probeta ensayada, y la deformación que va sufriendo. Los datos de la fuerza aplicada se pueden convertir en tensión y así construir la gráfica esfuerzo-deformación, similar a la que representada en la figura. Imagen 12. Elaboración propia. Un material presenta varias zonas en cuanto a su comportamiento ante un esfuerzo de tracción. Estas zonas están representadas en el diagrama esfuerzo deformación anterior y vamos a verlas una a una. Tecnología Industrial II Página 7 de 33

8 Imagen 13. Elaboración propia. Zona elástica (OB) Se caracteriza porque al cesar las tensiones aplicadas, los materiales recuperan su longitud inicial. Zona plástica (BE) En esta zona se ha rebasado la tensión del límite elástico y, aunque dejemos de aplicar tensiones de tracción, el material ya no recupera su longitud original y la longitud final será mayor que lo. En la zona elástica (OB) hay, a su vez, dos zonas: Zona de proporcionalidad (OA) Imagen 14. Elaboración propia. En la gráfica es una línea recta, es decir, el alargamiento unitario (ε) es proporcional a la tensión ejercida (σ). En las aplicaciones industriales siempre se trabaja en esta zona, ya que no se producen deformaciones permanentes y además se puede aplicar la ley de Hooke. Zona no proporcional (AB) El material se comporta de forma elástica, pero no existe una relación proporcional entre tensión y deformación. En la zona plástica (BE) también se pueden distinguir dos zonas: Imagen 15. Elaboración propia. Zona de deformación plástica uniforme o zona de límite de rotura (CD) Se consiguen grandes alargamientos con un pequeño incremento de la tensión. En el punto D encontramos el límite de rotura y la tensión en ese punto se llama tensión de rotura (σr). A partir de este punto, la probeta se considera rota, aunque físicamente no lo esté. Zona de rotura o zona de estricción o zona de deformación plástica localizada (DE) Las deformaciones son localizadas y, aunque disminuya la tensión, el material se deforma hasta la rotura. En el punto D, la probeta se ha fracturado. La sección de la probeta se reduce drásticamente. Esta curva esfuerzo-deformación varía de un material a otro, e incluso otros materiales presentan curvas distintas; es el caso Tecnología Industrial II Página 8 de 33

9 del acero. En el caso del acero existe una zona justo al sobrepasar el límite elástico en el que se da una deformación apreciable sin que varíe la tensión aplicada. Este fenómeno se denomina fluencia y la tensión en ese punto se denomina tensión de fluencia. Se trata de la zona BC del diagrama anterior. Imagen 16. Elaboración propia. Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, y desde ese momento el material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si se retira la carga, la probeta mantendría una cierta deformación permanente, ya que habrá entrado en la zona plástica, dejando de cumplirse la ley de Hooke. El valor límite entre la zona elástica y la zona plástica es el punto de fluencia, punto que en ocasiones no es sencillo de determinar observando la gráfica. Después de la fluencia continúa una zona inestable, que depende de cada acero, para llegar a un máximo en que la probeta, en lugar de alargarse de forma permanente y repartida a lo largo de toda su longitud, lo hace concentrando la deformación en una zona en la cual se produce un estrangulamiento. En probetas cilíndricas sometidas a tracción, la gráfica que hemos visto es creciente sólo durante una primera fase del ensayo en que la carga es creciente. A partir del máximo de la carga, se desarrolla un cuello de estricción en el que se localizan las deformaciones de la probeta y que hace disminuir la carga resistida. En esta parte del ensayo, el material fuera de la zona del estrangulamiento se descarga elásticamente, mientras que en el cuello continúa la carga plástica hasta llegar a la rotura. Has comprendido el ensayo de tracción? El ensayo de tracción consiste en aplicar una carga constante a una probeta hasta que se rompe. El ensayo de tracción se llama destructivo porque acaba cuando la probeta se rompe. Tecnología Industrial II Página 9 de 33

10 Los materiales presentan dos comportamientos diferenciados: el elástico y el proporcional. En las aplicaciones industriales se trabaja con los materiales en su zona elástica. La fluencia se da cuando, al sobrepasar una carga determinada, el material se empieza a deshacer. En los siguientes videos tienes la parte final de un ensayo de tracción. En el primero vemos su parte final,y se observa perfectamente como se forma la estricción en la probeta y la rotura casi instantánea. En el segundo vemos además cómo se traza la curva esfuerzo-deformación al mismo tiempo que se desarrolla el ensayo de tracción. Multimedia 1. Youtube. Creative Commons. Multimedia 2. Youtube. Creative Commons. Tecnología Industrial II Página 10 de 33

11 Como hemos dicho, los ensayos simulan las condiciones en que van a trabajar los materiales y de ese modo podemos determinar las características del material y su comportamiento. Por eso de los ensayos debemos sacar unos datos precisos y fiables acerca del material estudiado. La evaluación del ensayo de tracción se realiza a partir de la curva tensión-deformación. Veremos a continuación los parámetros que podemos obtener de ella (tensiones, módulo elástico, deformación...) Tensión de tracción (σ t ) Se calcula como el cociente entre la fuerza de tracción soportada por la probeta y su sección transversal. Límite elástico (σ E ) Es la tensión mínima que hay que aplicar para que aparezcan deformaciones permanentes en el material. También se puede definir como la máxima tensión que el material es capaz de soportar sin desviación de la ley de Hooke, es decir es una medida de su resistencia a la deformación elástica. Se expresa en fuerza por unidad de superficie, es decir en MPa, o en Kp/cm 2. Esta propiedad juega un papel de gran importancia en el proyecto mecánico, porque las piezas se calculan para que no sufran deformaciones permanentes en servicio y, en consecuencia, se debe garantizar que las tensiones que actúan cuando la pieza trabaja no superan el límite elástico. Tensión de tracción a rotura (σ R ) Es la tensión de tracción soportada por la probeta en el momento de su rotura. Tecnología Industrial II Página 11 de 33

12 Resistencia a la tracción (σ máx ) La resistencia a la tracción coincide con el valor máximo del esfuerzo y es la tensión que hay que aplicar para que se produzca la rotura de la probeta en las condiciones del ensayo. Mientras la tensión aplicada es menor a σ máx, la deformación es uniforme, pero al alcanzar esta tensión comienza a desarrollarse un cuello en la probeta (estricción).la reducción localizada de sección hace que la tensión que actúa en esa sección crezca localmente provocando un nuevo aumento del alargamiento en la zona del cuello con la consiguiente caída de la tensión nominal. Este proceso continúa hasta que la sección no es capaz de seguir deformándose y se produce la fractura. La carga de rotura es una propiedad que también se puede utilizar para el cálculo de piezas que trabajan sometidas a esfuerzos aunque, en la actualidad, se tiende a emplear preferentemente el límite elástico. La resistencia máxima a la tensión de un material se determina trazando una línea horizontal tangente a la gráfica del ensayo. La tensión a la que la línea intercepta al eje de tensión se denomina resistencia máxima a la tensión, o a veces simplemente resistencia a la tensión o tensión de fractura. Este valor es mayor que la tensión de rotura, debido al fenómeno de estricción, ya que, como la sección se estrangula en la zona de rotura y el cálculo de tensión se realiza con la sección inicial, se está tomando una sección mayor que la real. Cuanto más dúctil sea el metal, mayor será el decrecimiento en la tensión en la curva Modulo de elasticidad o Módulo de Young (E) Es la relación entre la tensión realizada y la deformación que provoca en el tramo lineal de la curva tensión-deformación (región elástica). Sus unidades son MPa o N/mm 2, o bien los Kp/cm 2. También podemos expresarlo como: En general, los metales y aleaciones muestran una relación lineal entre la tensión y la deformación en la región elástica en un diagrama tensión deformación que se describe mediante la ley de Hooke. El módulo de elasticidad resulta ser igual, pues, a la tangente de la recta de la gráfica en su zona de proporcionalidad. Vemos que en esa región del diagrama tensión deformación el módulo de elasticidad no cambia al aumentar la tensión. Tecnología Industrial II Página 12 de 33

13 Imagen 17. Elaboración propia. El módulo de Young tiene una íntima relación con la fuerza de enlace entre los átomos en un material. Los materiales con un módulo elástico alto son relativamente rígidos y no se deforman fácilmente. Así, de dos piezas con la misma geometría, sometidas a la misma solicitación mecánica que se hayan fabricado con distintos materiales, trabajando dentro del campo elástico, aquella con mayor módulo elástico será la que presente menores deformaciones. Imagen 18. Elaboración propia. Coeficiente de seguridad (n) Para garantizar que un material va a trabajar en la zona elástica, se aplica un coeficiente de seguridad, de modo que la tensión de trabajo σ t siempre debe ser inferior a la tensión del límite elástico σ E. Se calcula según la fórmula: La temperatura influye en los resultados de estos ensayos, porque el límite elástico, la resistencia a la tracción y el modulo de elasticidad disminuyen a temperaturas más altas, en tanto que, por lo general, la ductilidad se incrementa. Tecnología Industrial II Página 13 de 33

14 Por eso, las propiedades a la tracción dependen de la temperatura. Resuelve este ejercicio en el que debes calcular algunas de las propiedades vistas a partir de un ensayo de tracción. Presta atención especial a las unidades. En el gráfico adjunto se muestra la curva fuerza-incremento de longitud, resultante del ensayo de tracción de un material polimérico. DATOS DEL ENSAYO: Dimensiones de la probeta Anchura: mm Espesor: 3.47 mm Longitud inicial: 50 mm Longitud final después de la rotura: 97 mm. Fuerza máxima alcanzada en el ensayo: 1290 N. Imagen 19. Elaboración propia. Calcular: a) Módulo de Elasticidad o de Young (GPa). b) Resistencia a la Tracción (MPa). c) %Alargamiento a la rotura (ε) En esta dirección encontrarás un glosario en el que aparecen todos los términos relativos a la resistencia de los materiales: ensayos, deformaciones, glosario que te puede aclarar algún concepto que no te haya quedado lo suficientemente claro. Tecnología Industrial II Página 14 de 33

15 Y las barras verticales están sometidas a compresión. También será, pues, necesario un ensayo de compresión. Antes de continuar con el resto de ensayos, debemos saber que las máquinas utilizadas para efectuar ensayos de tracción disponen de un conjunto de accesorios intercambiables que permiten la aplicación de diferente tipo de esfuerzos, pudiendo realizarse ensayos de distintos tipos: compresión, flexión, plegado, cortadura, etc. Por este motivo, a estos equipos se les conoce como máquinas universales de ensayo o dinamómetros universales. El ensayo de compresión es similar al de tracción, aunque ahora la fuerza a que se ve sometida la probeta es uniaxial en el sentido de comprimir el material, dando lugar a acortamiento de la pieza y un ensanchamiento de la sección. La máquina de ensayos, como hemos dicho, es la misma que en el de tracción. Imagen 20. Wikimedia. Creative Commons. El ensayo de compresión varía respecto al de tracción en que: El de tracción está normalizado y el de compresión no. El sentido de aplicación de la fuerza. La máquina que utilizamos para realizarlo es diferente. Tecnología Industrial II Página 15 de 33

16 En ciertas utilizaciones industriales se observa que al repetirse ciclos de carga y descarga se genera un debilitamiento de las piezas, incluso cuando las fuerzas aplicadas son mucho menores que la tensión de rotura estática e incluso del límite elástico del material, generando la iniciación y propagación de una grieta hasta el fallo final por fractura. A este fenómeno se le conoce como fatiga. Con cada ciclo se resiente la pieza y después de un cierto número de ciclos determinado, la pieza está tan debilitada que rompe por fatiga. En algunas piezas metálicas, por elevado que sea el número de ciclos de trabajo, con cargas por debajo de un cierto valor de tensión no se produce la rotura de la pieza. Pero también ocurre al contrario, con cargas por encima de un cierto valor de tensión la rotura viene para un número reducido de ciclos. Por ello el estudio de la fatiga de los materiales es realmente complicado, y provoca un elevado número de roturas de piezas industriales que han sido fabricadas con materiales férricos. Además, otra de las características del fallo por fatiga y que lo hace especialmente peligroso es que aparece de una forma inmediata, "sin avisar". Ejemplos de fallo por fatiga los tenemos en máquinas rotativas, tornillos, vehículos, puentes, plataformas marítimas, barcos, alas de aviones, ruedas de ferrocarril y otros productos de consumo. Imagen 21. Wikimedia. Creative Commons. Imagen 22. Wikimedia. Creative Commons. El análisis de fatiga estructural es una herramienta para evaluar la validez de un diseño o su durabilidad bajo condiciones de carga simples o complejas, conocidas como cargas de servicio. Los resultados del análisis de fatiga se representan mediante contornos en color que muestran la duración de los ciclos de carga que la estructura puede soportar antes de que se inicie cualquier grieta. Qué sabes de la fatiga? La fatiga hace que fallen las piezas sometidas a cargas muy elevadas. Tecnología Industrial II Página 16 de 33

17 La rotura de una pieza por fatiga se produce de forma casi instantánea. Una de las zonas donde aparece la fatiga es en las uniones metálicas. Tecnología Industrial II Página 17 de 33

18 Y otra cosa, necesitaremos que nuestro acero 1030, sea duro? Con el ensayo de dureza adecuado sabremos cuál es su dureza. Dureza es la resistencia que opone un material a la deformación permanente (plástica) en su superficie, es decir la resistencia que opone un material a ser rayado o penetrado. La dureza de un material se mide de distintas formas. En los ensayos mecánicos se utiliza un penetrador o indentador sobre la superficie del material, sobre el que se ejerce una carga conocida perpendicularmente a la superficie del material de ensayo. El penetrador tiene diferentes formas y según sea su forma, así será la huella que queda grabada en el material. Según el tipo de materiales y su geometría se emplean distintos métodos de ensayos de dureza, Brinell, Vickers, Rockwell y Knoop, que veremos a continuación. Escala de Mohs En geología se utiliza la escala de Mohs, que consiste en una tabla de diez minerales, donde cada miembro es más duro que los que están delante de él en la escala y más blando que los que están detrás. Con ellos se mide la resistencia al rayado de los materiales, de modo que cuando deseamos saber la dureza de un mineral se va probando si es rayado por los elementos consecutivos de la escala Mohs, hasta que el mineral es rayado por uno, por lo que su dureza estará comprendida entre la del último elemento que no consiguió rayar el mineral y el primero que lo hizo. Dureza Mineral Composición química 1 Talco, (se puede rayar fácilmente con la uña) Mg 3Si4O10(OH)2 2 Yeso, (se puede rayar con la uña con más dificultad) CaSO 4 2H 2O 3 Calcita, (se puede rayar con una moneda de cobre) CaCO 3 4 Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo) CaF 2 Tecnología Industrial II Página 18 de 33

19 5 Apatita, (se puede rayar difícilmente con un cuchillo) Ca 5(PO 4) 3(OH-,Cl-,F) 6 Feldespato, (se puede rayar con una cuchilla de acero) KAlSi 3O 8 7 Cuarzo, (raya el vidrio) SiO 2 8 Topacio Al 2SiO 4(OH-,F-) 2 9 Corindón, (sólo es rayado por el diamante) Al 2O 3 10 Diamante, (el mineral natural más duro) C Un material es duro cuando: No es fácil rayarlo. No es fácil penetrarlo. No es fácil romperlo. Se utilizan distintos ensayos de dureza (Brinell, Vickers...): Según el tipo de material que vamos a ensayar y su tamaño. Según el tipo de material que vamos a ensayar y su geometría. Según el tipo de material que vamos a ensayar y su estructura. Un elemento tiene una dureza que está comprendida entre el 5 y el 6 de la escalada de Mohs. Rayará al yeso? Tecnología Industrial II Página 19 de 33

20 El ensayo Brinell se realiza como todos los ensayos de dureza; se ejerce una carga en el penetrador perpendicularmente sobre la superficie del material a ensayar. El ensayo Brinell viene definido por la norma UNE En el ensayo Brinell el penetrador es una bola de acero templado (muy duro). Imagen 23. Wikimedia. Creative Commons. Imagen 24. Wikimedia. Creative Commons. La dureza Brinell se calcula en función del área del casquete de la huella realizada y de la carga aplicada. Como el área del casquete de la huella no es una medida que podamos tomar directamente, la expresión, en términos de dimensiones que podemos medir será: siendo: F: carga aplicada en kg D: diámetro de la bola en mm d: diámetro de la huella en mm Imagen 25. Elaboración propia. Tecnología Industrial II Página 20 de 33

21 Este ensayo tiene una serie de restricciones: No es recomendable para valores de dureza superiores a 500 HB si la bola del penetrador no es de carburo de volframio. Sólo es adecuado para materiales de espesor grueso, ya que las huellas que se obtienen son nítidas y de contornos bien delimitados. Si se aplica a materiales de espesores pequeños se deforma el material y los resultados obtenidos son erróneos. En estos casos se deberá disminuir la carga aplicada, con lo que las huellas serán menos profundas y el diámetro del penetrador, para que el diámetro de la huella quede comprendido entre D/4 y D/2 No es recomendable para piezas cilíndricas y esféricas. Cuando la deformación es pequeña, se cometen errores significativos al medir el diámetro de la huella. Al variar la carga, es necesario sustituir el penetrador. Cuando damos la dureza Brinell de un material damos los siguientes datos: Imagen 26. Elaboración propia. En este ensayo la carga a aplicar depende del material a ensayar y del cuadrado del diámetro de la bola del penetrador. El tiempo de aplicación de la carga es función de la dureza del material a ensayar, oscilando entre 10 segundos y 3 minutos; a mayor dureza, menor tiempo de aplicación. Tecnología Industrial II Página 21 de 33

22 Recordamos el ensayo Brinell. La dureza se determina en función de la profundidad de la huella. Es aplicable a materiales de dureza extrema. Es aplicable a materiales de espesores pequeños. En un ensayo de dureza Brinell se aplica una carga de 3000 Kp al penetrador, cuyo diámetro es de 10 mm. Si el diámetro de la huella es de 5 mm, determina: a) Dureza del material. b) Se obtendría el mismo valor de dureza si la carga fuese de 750 Kp y el diámetro de la bola fuese de 750 Kp? Tecnología Industrial II Página 22 de 33

23 El ensayo Vickers viene definido por la norma UNE En el ensayo Vickers el penetrador es una pirámide de base cuadrada, cuyas caras opuestas forman un ángulo de 136º. Imagen 27. Wikimedia. Creative Commons. Imagen 28. Wikimedia. Creative Commons. La dureza Vickers se calcula de forma similar a como lo hacíamos en el ensayo Brinell. En este caso la dureza es función de la superficie lateral de la huella y de la carga aplicada. Igual que sucedía en Brinell, como la superficie lateral de la huella no es una medida que podamos tomar directamente, la expresión, en términos de dimensiones que podemos medir será: siendo: F: carga aplicada en kg d: diagonal de la huella en mm Imagen 29. Elaboración propia. Tecnología Industrial II Página 23 de 33

24 El ensayo Vickers tiene una serie de ventajas sobre el Brinell: Se puede emplear con piezas de espesores muy reducidos (hasta 0.2 mm). Puede medir dureza superficial aunque la huella sea poco profunda. Se puede utilizar en superficies cilíndricas o esféricas. Se puede utilizar indistintamente con materiales muy duros, o con materiales blandos. No es necesario sustituir el penetrador al variar la carga (el valor de la dureza es prácticamente independiente del valor de la carga). Los ensayos Brinell y Vickers, dan resultados parecidos hasta un valor de 300; a partir de aquí la dureza Vickers es superior a la Brinell, ya que la deformación de la bola falsea los resultados. Se aplican cargas menores que en el ensayo Brinell (oscilan entre 1 y 120 Kp), siendo la carga de 30 Kp la más empleada. El tiempo de aplicación varía entre 10 y 30 segundos, siendo 15 segundos lo más habitual. Cuando damos la dureza Vickers de un material damos estos datos: Imagen 30. Elaboración propia. La única diferencia entre el ensayo Vickers y el Brinnel es el penetrador utilizado. La dureza Vickers sólo depende del área lateral de la huella realizada. El ensayo Vickers es óptimo para determinar durezas de piezas de muy pequeño espesor. Determina la dureza de un material que se ha sometido a un ensayo Vickers, en el que, con una carga aplicada de 120 Kp, se ha producido una huella de 0.5 mm de diagonal. Tecnología Industrial II Página 24 de 33

25 En este video vas a ver cómo se realiza un ensayo Vickers, pero totalmente informatizado. A partir de un ordenador transmitimos la orden de aplicar la carga correspondiente, y también en una pantalla vemos la huella realizada y desde allí mismo podremos medirla. Multimedia 3. Youtube. Creative Commons. Tecnología Industrial II Página 25 de 33

26 El ensayo Rockwell viene determinado por la norma UNE Imagen 31. Wikimedia. Creative Commons. Se puede utilizar indistintamente con materiales muy duros, o con materiales blandos. Para materiales blandos (con durezas menores que 200) el penetrador es una bola de acero de diámetro mm, y la dureza determinada será una dureza Rockwell B. Para materiales duros (con durezas mayores que 200) el penetrador es un cono de diamante de 120º en la punta, y la dureza determinada será una dureza Rockwell C. El ensayo Rockwell es un ensayo rápido y fácil de realizar pero menos preciso que los anteriores, en el que la dureza se obtiene en función de la profundidad de la huella y no de la superficie como en el Brinell y el Vickers. Para realizar este ensayo se siguen los siguientes pasos: Se aplica una carga de 10 kg al penetrador (bola o cono), provocando una pequeña huella en la superficie del material a ensayar; se mide la profundidad de esta huella, h 1, y se toma como referencia, colocando a cero el comparador de la máquina. Se aumenta en 90 kg la carga, si se emplea el penetrador de bola y en 140 kg si es el de cono, manteniendo la carga durante un tiempo entre 1 y 6 segundos; a continuación se mide la profundidad de la huella producida, h 2. Se retira la carga, con lo que el material trata de recuperar su posición inicial quedando una huella permanente de una profundidad h 1+e. Tecnología Industrial II Página 26 de 33

27 Imagen 32. Elaboración propia. La dureza RocKwell no se expresa directamente en unidades de penetración, sino como diferencia de dos números de referencia: HRC = 100 e y HRB = e La diferencia entre HRB y HRC es el diámetro del penetrador. La dureza Rockwell viene dada por la profundidad de la huella una vez que hemos eliminado la carga. La dureza Rockwell mide la deformación plástica que se produce en el ensayo. En este video puedes ver cómo se realiza un ensayo Rockwell. Se trata de una práctica en un instituto, así que nos van explicando detalladamente cómo se debe hacer. Tecnología Industrial II Página 27 de 33

28 Se emplea únicamente en laboratorio para medir microdurezas, o bien durezas de láminas de un espesor muy reducido. El penetrador es una punta de diamante con forma de pirámide rómbica cuya relación entre diagonales es de 1:7, sus ángulos entre aristas son a=130º y b= 172º 30. La dureza Knoop se obtiene por la fórmula: Imagen 33. Elaboración propia. Donde F es la carga normalizada aplicada en el ensayo y l la longitud de la diagonal mayor de la huella. Para medir la dureza de una lámina de 0.1 mm de espesor se utiizará el ensayo Knoop. El penetrador utilizado en un ensayo Knoop es una pirámide rómbica de acero. El ensayo Knoop es el ensayo más habitual por ser el más exacto. Tecnología Industrial II Página 28 de 33

29 Este último video que tenemos referido a los ensayos de dureza, se trata de un sencillo durómetro portátil. Míralo como curiosidad. Multimedia 5. Youtube. Creative Commons. Tecnología Industrial II Página 29 de 33

30 Nos falta algo más. Qué pasa si una moto choca contra el puente? Tendremos que saber cuánta energía puede absorber el acero cuando recibe un golpe para así no romperse. Eso lo determinaremos con el ensayo de resiliencia. El ensayo de resiliencia es un ensayo destructivo, que consiste en romper una probeta del material a ensayar golpeándola con un péndulo. Para facilitar el inicio de la fisura, se realiza una hendidura o entalladura en la probeta. El objetivo del ensayo es conocer la energía que puede soportar un material al recibir un choque o impacto sin llegar a romperse. Para realizar este ensayo se utiliza el péndulo Charpy, que consta de un brazo giratorio con una maza en su extremo, que se hace incidir sobre la probeta provocando su rotura. El péndulo, de masa m, se encuentra a una altura inicial H, por lo que tiene una determinada energía potencial antes de iniciar el ensayo. Cuando se inicia el ensayo, se libera el péndulo que, tras golpear la probeta y romperla, continua con su giro, alcanzando una altura final h, por lo que tendrá una nueva energía potencial. La energía que ha absorbido la probeta durante su rotura será la diferencia de energías potenciales inicial y final. Si la probeta no se rompe y el péndulo se detiene al chocar sobre ésta, es necesario aumentar la energía potencial del péndulo, o bien aumentando la masa, o bien aumentando la altura inicial. Imagen 34. Wikimedia. Creative Commons. Imagen 35. Wikimedia. Creative Commons. Tecnología Industrial II Página 30 de 33

31 La resiliencia se obtiene con la expresión: Y se expresa en julios/cm 2 Cuanto más frágil sea el material y menor su tenacidad, menos resiliencia presentará. Materiales muy dúctiles y tenaces absorben grandes cantidades de energía de choque. Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composición química del material. Se realizan dos tipos de ensayos: Charpy, en el que la probeta se apoya en un soporte y recibe el impacto en el centro por la cara opuesta a la hendidura. Izod, en el que la probeta se embute hasta la mitad, recibiendo el impacto en el extremo del voladizo por la cara de la entalla. Imagen 36. Elaboración propia. Una probeta de sección cuadrada de 10 mm de lado con una entalla de 2 mm en el centro de sus caras se somete a un ensayo de resiliencia con un péndulo de 20 Kgf que cae desde 90 cm, y que, tras la rotura, alcanza 70 cm. Determinar: a) Energía absorbida en el choque por la probeta. b) Resiliencia del material. Imagen 37. Elaboración propia. Con este sencillo video te puedes hacer una idea de cómo transcurre un ensayo Charpy. Tecnología Industrial II Página 31 de 33

32 Ahora ya conocemos las propiedades mecánicas de nuestro material, y vamos a decidir que es con el que vamos a construir nuestro puente, pero, "se dejará"? Tendremos que saber, por ejemplo si una chapa de ese material se puede doblar, o deformar. Así que nos faltan otros ensayos: los tecnológicos. En los ensayos tecnológicos no se pretende conocer valores cuantitativos de determinadas propiedades o características de un material; lo que se persigue es tratar de obtener información acerca de si el material va a ser capaz de soportar las condiciones de esfuerzos y cargas que sufrirá en sus condiciones normales de trabajo. Por eso se tratará de reproducir lo más fielmente posible estas condiciones durante la realización de este tipo de ensayos. Son ensayos tecnológicos: Ensayo de cizalladura Trata de determinar el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo cortante. Este ensayo se aplica a materiales destinados a la fabricación de tornillos, remaches, lengüetas y chavetas. Ensayo de plegado Se emplea para determinar la capacidad de deformación de un material en la zona plástica. Consiste en doblar probetas y observar si aparecen grietas. Ensayo de embutición Comprueba la capacidad de deformación de chapas de materiales. Para ello se presiona el vástago sobre la chapa a ensayar, hasta que se produce la primera grieta, entonces se comprueba cuanto se ha introducido el vástago. Imagen 38. Elaboración propia. Tecnología Industrial II Página 32 de 33

33 El resultado del ensayo de plegado se da en mm. Como cierre de este tema, puedes visitar estas páginas si tienes curiosidad sobre distintos tipos de ensayo, qué tipos de máquinas se utilizan La primera corresponde a INSTRON, la principal marca de máquinas de ensayos y la segunda ZWICK, otra marca importante. Tecnología Industrial II Página 33 de 33