16-PRUEBAS MECÁNICAS

Transcripción

1 16-PRUEBAS MECÁNICAS

2 PRUEBAS MECÁNICAS Julio Alberto Aguilar Schafer

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4 Ensayos No Destructivos Son una serie de ensayos cuya finalidad es conocer/evaluar el estado de los materiales (soldaduras, estructuras (puentes, edificios, etc ), medios de transporte (barcos, aviones, etc ) sin afectar las propiedades y funcionalidad de los materiales examinados. Todas las soldaduras/uniones presentan fallos, grietas, defectos, discontinuidades, localizar y determinar el tamaño muchas discontinuidades defectos que comprometen la resistencia de la unión/soldadura/material

5 Ensayos más comunes Inspección Visual Líquidos Penetrantes Pruebas Ultrasónicas-Emisiones Acústicas Partículas Magnéticas Radiografías Corrientes de Eddy Termografía Inspección Visual Es el método más común de inspección Permite observar salpicaduras, existencia de cenizas, distorsiones por excesivo calentamiento, grietas, Es adecuada para todos los materiales. Mediante: Calibres especiales, gafas de aumento, linternas, etc

6 Líquidos Penetrantes Analiza la superficie de una pieza La superficie es recubierto por una solución coloreada o fluorescente. El exceso de solución se elimina de la superficie, y se aplica un revelador. Este actúa como un secante, destacando fácilmente las imperfecciones superficiales, ya sea por la aparición de vivos colores como después de aplicar luz UV. Es válido para todo tipo de materiales (metales, cerámicos, vidrios, polímeros, composites,

7 Ensayo de sondas acústicas Basada en la transmisión de longitudes sonoras de alta frecuencia en el interior del material para detectar imperfecciones. Se estudian las ondas emitidas y el desplazamiento en el tiempo para detectar las reflejadas, y posibles alteraciones indican imperfecciones (las ondas ultrasónicas no viajan a través del aire). Todo tipo de materiales. Máquina de medida del espesor y discontinuidades

8 Partículas Magnéticas No Destructivos Este método se lleva a cabo induciendo un campo magnético a un material ferromagnético, y entonces espolvoreando en la superficie partículas de Fe. (ya sea seco o en una suspensión). Las imperfecciones superficiales modifican el campo y las partículas de hierro se concentran en los defectos. Sólo materiales ferromagnéticos. Defectos superficiales perpendiculares a las líneas de campo.

9 Partículas Magnéticas Equipos portátiles

10 Corrientes de Eddy Corrientes eléctricas son generadas en un material conductor por un campo magnético alterno. Interrupciones en las líneas de corriente eléctrica (Corrientes de Eddy) debidas a la existencia de imperfecciones producirán cambios en el campo magnético inducida. Útil para: Materiales conductores. Detecta defectos internos

11 Inspección mediante radiación Rayos-X Son radiografías Implica la utilización de radiación gamma o rayos-x (para examinar los defectos internos. Se requieren máquinas con fuentes de radiación que atraviesan el material y producen una imagen negativa en una película o film. La radiografía muestra la solidez interna de los materiales examinados. Las posibles imperfecciones se muestran como cambios en la densidad en la película de la misma manera que se aprecian los huesos rotos.

12 Ensayos mecánicos

13 Prueba de chispa. Metal Color de la chispa Tamaño aprox. del flujo Acero Acero al carbono Acero rápido Acero inoxidable Hierro colado blanco Hierro colado gris Hierro maleable Carburo de tungsteno Muchas chispas de color rojo. Amarillas. Intermitentes a rojo a rojo obscuro. Color paja cerca de la rueda, blanco lejos de la rueda. Muy poca cantidad de rojo en la rueda, convirtiéndose en un color paja. Rojas convirtiéndose en color paja. Amarillo paja. Carburo de tungsteno 1.80 cm, raíz corta con bifurcaciones, mientras mas alto es el contenido de carbón, mas numerosas son. Líneas rectas sencillas, sin ramificaciones. Pequeñas lineales, ramificaciones cerca de las puntas 1.30 cm, chispa moderada. 45 cm. 60 cm, el volumen es pequeño con muchas espigas. 75 cm, terminando con espigas 25 cm. Flujo pequeño.

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15 Prueba de peso o densidad. Metal o aleación Densidad a 18 C (gr/cm3) Acero 7.86 Acero Inoxidable 7.83 Aluminio 2.69 Carburos sintetizados Cobre 8.97 Estaño 7.98 Hierro colado 7.87 Latón 8.58 Manganeso 1.74 Monel 8.83 Níquel 8.91 Plomo Titanio 4.40 Zinc 7.14 Esta prueba puede distinguir los metales, por ejemplo: piezas moldeadas de Zinc y las piezas moldeadas de aluminio se asemejan mucho, sin embargo el peso lo distingue uno de otro:

16 PRUEBAS MECÁNICAS Una de las forma que se usan para poder determinar las característica mecánica de un material es someterlo a las pruebas de esfuerzos a la tensión.

17 objetivos Conocerla importancia de la evaluación de las propiedades mecánicas Explicar y entender que es tensión-deformación Deformación elástica y plástica Coeficiente de Poisson Tensión de cizalladura Describir el ensayo de tracción Curva de tensión-deformación nominal o ingenieríl Curva de tensión-deformación real Describir el ensayo de compresión Conocer el ensayo a flexión Explicar el ensayo de cizalladura Explicar el ensayo de dureza

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19 Ensayo de tracción uniaxial Los materiales, bajo esfuerzos de tracción o compresión, se deforman primero elásticamente (deformación recuperable) y luego plásticamente (deformación permanente) Probeta sometida a una fuerza de tensión uniaxial a velocidad constante Diagrama de tensión-deformación Resultado del ensayo Ensayo más utilizado: NORMALIZADO

20 Evolución de las probetas rectangulares durante el ensayo de tracción (la zona central es la que soporta mayor deformación, y por esa zona romperá) Maquina de Tracción

21 Ejemplo de prueba de esfuerzo a la tensión RUPTURA

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24 Geometría de las probetas: Normalizadas Rectangulares Cilíndricas

25 Geometría de las probetas: Laboratorio de Ciencia de los Materiales

26 TENSIÓN NOMINAL (σn) Curva tensión-deformación Deformación ELÁST Linealidad Deformación No permanente Zona Elástica Zona Plástica DEFORMACIÓN NOMINAL (εn) Deformación PLÁSTICA Al cesar la tensión sobre una probeta, la probeta experimenta una cambio permanente respecto a sus dimensiones originales. Los átomos son desplazados permanentemente de sus posiciones originales y toman nuevas posiciones. La posibilidad de deformación plástica del acero posibilita que partes del automóvil (parachoques, tas y puertas) se puedan troquelar mecánicamente sin romperse el metal

27 TENSIÓN NOMINAL (σn) Parámetros: Curva tensión-deformación DEFORMACIÓN NOMINAL (εn) -Módulo de Young o Módulo de Elasticidad( E) -Límite elástico (σy) a un 0.2% -Resistencia máxima a la tracción -Tensión de fractura -Deformación plástica o ductilidad -Resiliencia o Energía absorbida

28 Curva tensión-deformación Tensión/esfuerzo nominal (σn): σ n= F - A0 Unidades del S.I.: N/m2= Pa 1 N/mm2 = 1 MPa Sistema anglosajón: psi = lb/pul2 1 psi= 6, Pa Deformación nominal (ε): 1638: Galileo Galilei La carga de fractura de una barra en tensión es proporcional a A0 e independiente de lo ε = Δl/l S.I.: m/m (adimensional) %ε = (Δl/L0) 100

29 TENSIÓN NOMINAL (σn) Curva tensión-deformación Zona Elástica DEFORMACIÓN NOMINAL (εn) Deformación elástica σ<σy I) Zona Lineal σ = E ε Ley de Hooke E: Módulo de Elasticidad ó de Young: rigidez material o resistencia a la deformación elástica (no permanente) Al retirar carga/tensión pieza recupera forma original (No deformación permanente)

30 Deformación elástica: escala atómica E= f (fuerza de enlace) si Fuerza de enlace entre átomos E Mecanismo asociado a la def. Elástica= Relajación enlaces. En general: Ecerámicos (cov. y/o ionic)>emetales (met) >Epolímeros (secund entre cadenas)

31 Módulo de elasticidad

32 Curva Tensión-deformación: E: F(temperatura) Al aumentar la Temp debilitamiento de los enlaces ( rigidez estructura) del Mod. Young

33 Deformación elástica σ<σy 2) No lineal: Se produce en alguno materiales (algunos polímeros, hormigón, fundición gris, etc ) σ 2 Δ Δ σ ε Módulo Tangente en σ2 σ 1 Módulo Secante entre origen y σ1 Δ Δ σ ε Deformación

34 Parámetros: curva tensión-deformación Límite elástico (σy) : σ a partir de la cual se produce deformación permanente ε deja de ser proporcional a σ Ruptura y formación de nuevos enlaces No recupera la forma inicial

35 Curva tensión-deformación: Limite elástico (I) Límite elástico (σy) : σ a partir de la cual se produce deformación permanente para F 0 ε (perma nente) = ε [elast+plást] para F=0 ε (perma nente) = ε [plást]) Criterios de Cálculo del Límite Elástico (I) Dependiendo de la deformación del material se adoptan criterios: El + admitido en metálicos 0,2% de la ε elástica Límite Elástico Convencional

36 Curva tensión-deformación: Limite elástico (I) Criterios de Cálculo del Límite Elástico (II) Fenómeno de discontinuidad en el punto de fluencia: (Ej: aceros, algunos polímeros, etc... σy = σmax +σmin 2

37 TENSIÓN NOMINAL (σn) Curva tensión-deformación: Zona plástica Resistencia a la tracción: máxima tensión nominal que soporta la probeta a tracción Resistencia de rotura: tensión que soporta el material en el pto. de rotura. DEFORMACIÓN NOMINAL (εn)

38 Tensión Curva tensión-deformación: Ductilidad Medida del grado de deformación plástica que puede ser soportada por un material antes de la rotura 1. Deformación porcentual total: aumento porcentual de la deformación que experimenta l la probeta l f - l0 ε (%) x 100 l0 2. % Reducción área (estricción): AR(%) = A0 - Af A0 x 100 Frágil Dúctil Materiales que son frágiles presenten poca deformación plástica (Ej: cerámicas y vidrios) 3. Área bajo la curva Deformación

39 Tensión (MPa) Ductilidad -Temperatura Mayor temperatura: mayor ductilidad Deformación

40 Curva tensión-deformación: Resiliencia Resiliencia.- Capacidad de un material de absorber Eelástica cuando es deformado hasta alcanzar el limite elástico Área bajo la curva Modulo de resiliencia, Ur.- Edeformación deformar un material hasta límite elástico. por unidad de V necesaria para U r = σ d ε 0 ε y Integrando, si la región elástica es lineal U r = 1 2 σ y ε y ε y = σ y E (Ley de Hooke) Materiales con Resiliencia: σy E APLICACIÓN: diferentes aleaciones para fabricar muelles U r = 1 2 σ y E 2

41 Curvas tensión-deformación verdaderas (II) Tensión real o verdadera (σr): Como ΔV = 0 se cumple que V= Ao Lo = cte =Aintantáneo Linstantáneo σr = σn σn L = L 0 σ (( + ε n) (hasta comienzo estricción) Para εpequeñas: εr = ln (1 + εn) εn σr = σn (1 + εn) σn

42 Coeficiente de Poisson, υ Relación entre las deformaciones laterales y axiales Toda deformación elástica longitudinal Δdimensional Lateral x y z υ = ε lateral ε longitudinal ε ε = = Materiales reales: υ= X Z ε y ε z υ Caucho natural 0,39-0,49 Polímeros 0,3-0,45 Metales 0,25-0,4 Conocer Comportamiento elástico: υ y E

43 Ensayo de Cizalladura h A. Tensión de cizalladura (τ, en Pa): θ a τ = P s A Cizalla puramente elástica: τ = G γ s Deformación de cizalladura (γ): γ = a h = tg θ Ps = carga aplicada As = área de la muestra paralela a la dirección de aplicación de la carga a: desplazamiento por cizalla h: distancia sobre la que actúa la cizalla G = Mód. De cizalladura o de rigidez o de Coulomb ( da idea de la rigidez) Existe una relación ente módulos: E = 2 G (1 + υ) υ: modulo de Poisson

44 Ensayo de Compresión Menos habitual que tracción Se emplea: -Para conocer comportamiento de material bajo def. permanentes grandes - Cuando material presenta comportamiento frágil a tracción. ( Ej: cerámicos y vidrios: No deformación plástica) Forma de realización: Similar a tracción (ahora F es compresiva) Fcompresión = - Ftracción Carga de compresión contracción y deformación lineal negativa Carga de tracción alargamiento y deformación lineal positiva

45 Tensión, σ (Mpa) Maquina de ensayo-probeta de compresión resistentes a compresión Débiles a tracción Deformación, ε

46 Ensayo de flexión Evalúa el comportamiento esfuerzo-deformación y la resistencia a la flexión de materiales frágiles: Resistencia a flexión es equivalente al módulo de rotura de los cerámicos Adecuado: cerámicos, vidrios y polímeros Esquema del ensayo de flexión en tres puntos

47 Ensayo de Dureza (I) Resistencia superficial que presenta un material a la deformación plástica localizada. Dureza relacionada con resistencia a la tracción y límite elástico Se determina forzando con un penetrador sobre su superficie Medición de huella realizada con un penetrador Clasificación = f (carga y penetrador) A.- Ensayo Brinell (HBW) B.- Ensayo Rockwell (HR) C.- Ensayo Vickers (HV) D.- Ensayo de dureza superficial: Vickers y Rockwell E.- Ensayo de microdureza: Vickers Bola, pirámide o cono (material muy duro) SHACKELFORD, J.F.: "Int. a la Ciencia de Materiales para ingenieros", Prentice Hall, 4ª Edición, Madrid, 1998

48 Resistencia a la abrasión 1. Escala de Mohs (1882) Material Escala Aplicación en geología o mineralogía Cada material es rayado por los de escala superior Material Escala Talco 1 Yeso 2 Caliza 3 Fluorita 4 Apatita 5 Feldespato 6 Cuarzo 7 Topacio 8 Safiro (corindón) 9 Diamante Nuevos Durómetros especialmente diseñados para la determinación exacta/precisa de la dureza

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50 Dureza en polímeros

51 A.- Dureza Brinell (HBW) P H = = S P D 2 2 π ( D D D 2 i Bola de acero duro/carburo de W (φ=10 mm) Se oprime contra la superficie del metal y se mide el diámetro de la impresión, generalmente de 2 a 6 mm) P= Peso aplicado en kg S= Superficie del casquete esférico en mm2 D= Diámetro de la bola en mm (de carburo de W) Di= Diámetro del casquete esférico. Factor de carga Q = P/D2= cte P = carga de ensayo; D= Ø de bola Para espesores pequeños (chapones) D (5, 2.5, 1.25 y mm) Diámetro Factor de carga Q Bola D ,5 mm Cargas en kg ,5 2,5 187,5 62, , ,6 7,81 3,91 0,625 11,7 3,91 1,953 0,977

52 Dureza Rockwell (HR) Medida La dureza es función de la profundidad de penetración. - Precarga: 10 Kg - Carga: Kg - Penetradores: 1) bolas de acero templado ( Materiales blandos) 2) cono de diamante tallado con angulo de 120º ( Materiales duros) Se aplican 2 cargas sucesivas a un penetrador y se mide la profundidad de La huella, h.

53 Diferentes escalas en función de carga y penetrador. Ventajas Rapidez Ensayo para todo tipo de materiales. Gran precisión (± 0.002mm ± 1unidad) Pueden usarlo personas no cualificadas. Polímeros

54 Microdureza Vickers (HV) Penetrador: diamante tallado en forma de pirámide cuadrangular con 136º entre caras El valor de la dureza es función de la diagonal de la huella =f (área de la pirámide) HV30 ó HV15 ó HV10...(HVkgf) F= Fuerza en kgf [1-120]kg d = Media aritmética entre las diagonales d1 y d2 en mm. Tiempo= s Medida: 345 HV30-25 ( HVkgf-s)

55 Dureza Vickers (HV) Ventajas Dureza Vickers Resultado Universal, el valor es indpte de la carga Con un único penetrador se mide una amplia gama de materiales Posibilidad de medir piezas delgadas ( 0.05mm de espesor) Se puede medir dureza superficial Más precisa que la escala Rockwell (1u. RocKwel = 32,5u. Vickers) Dureza Vickers (HV) Precauciones para ensayo de dureza (en general) Superficie lisa y al eje de aplicación de carga Superficie pulida y limpia de óxidos, carburos, grasa,... Distancia al borde de pieza > 4 φ (Brinell o Rockwell) Espesor de la probeta > 2 φ (Brinell o Rockwell) > 1.5 veces la diagonal de huella (Vickers)

56 Escalas de dureza

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58 Fluencia y Curvas de Fluencia

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