ENSAYOS DESTRUCTIVOS EN LA SOLDADURA Segunda parte ENSAYO DE TRACCIÓN El ensayo de tracción se realiza en una máquina universal, formada principalmente de una bancada robusta para darle mejor apoyo y más estabilidad a la máquina cuando aplicamos las cargas durante el ensayo. Dicha bancada forma un conjunto con dos ejes verticales (+Y Y), que sirven para subir o bajar. Estos dos ejes contienen a otros dos pero perpendicular a ellos, que en algunos casos pueden hacer movimientos horizontales (+X X), que sirven para ir de derecha a izquierda, donde están fijados los cabezales de sujeción de las probetas. Un grupo hidráulico formado por: un depósito donde se almacena el aceite, un potente motor capaz de desarrollar las cargas establecidas, junto a las tuberías de reparto del aceite que llegan a las botellas hidráulicas donde van fijados los cabezales de sujeción de las probetas. Por último el ordenador que es donde controlamos todos los parámetros de la máquina, como la temperatura, la carga aplicada, las equivalencias, las constantes, diagramas, etc. cabezales de sujeción máquina universal 1
Las probetas para ensayos de tensión se fabrican con forma y dimensiones normalizadas. La sección transversal de la probeta puede ser redonda, cuadrada o rectangular. Se utiliza en la mayoría de los casos una probeta de sección redonda para ensayos de metales. Para placas y láminas normalmente se utiliza una probeta metálica plana. probeta redonda metálica probeta plana metálica El ensayo de tracción consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta, con el objetivo de determinar las siguientes propiedades mecánicas: la resistencia mecánica, el límite de elasticidad, el alargamiento y la rotura. Permite obtener información sobre la capacidad de un material para soportar la acción de cargas estáticas o de cargas que varían lentamente a temperaturas homologas inferiores a 0,5 (parámetro adimensional que se define como el cociente entre las temperaturas de ensayo y de fusión). Observando el diagrama del ensayo de tracción de un metal dúctil, podemos destacar los siguientes conceptos: 1.- Límite de proporcionalidad (recta OP), corresponde al mayor esfuerzo, que es directamente proporcional a la deformación. Es decir, es el mayor esfuerzo en el que la curva en un diagrama cargadeformación en una línea recta. La tensión unitaria o carga unitaria σp en el punto P, se expresa en kgf/mm 2 o en kgf/cm 2. Donde es la sección inicial de la probeta en mm 2 y es la carga aplicada en ese punto en Newton N. 2
σp P 2.- Límite de elasticidad (punto E). Es la tensión máxima que un material elástico puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. La zona OE es elástica, al cesar la carga E la probeta recobra su forma original, cualquier carga superior a E producen deformaciones permanentes. Se expresa en kgf/mm 2 o en kgf/cm 2. Donde σe es el límite aparente de elasticidad, es la carga expresada en Newton y es la sección inicial de la probeta en mm 2. σε E 3.- Límite aparente de elasticidad o limite de fluencia. El tramo PB es ligeramente curvo ya que P termina la zona de proporcionalidad. El punto B es el límite que a pesar de que la deformación crece, la indicación obtenida en el ensayo se para o crece. Se expresa en kgf/mm 2 o en kgf/cm 2. Donde σb es el límite aparente de elasticidad, es la carga expresada en Newton y es la sección inicial de la probeta en mm 2. σβ B 4.- Carga unitaria de rotura. Es la carga máxima R, aplicada durante el ensayo viene expresada en Newton. Se expresa en kgf/mm 2 o en kgf/cm 2. Donde σr es el límite aparente de elasticidad y es la sección inicial de la probeta en mm 2. σr R 5.- Alargamiento. Es la longitud que aumenta la probeta hasta que se rompe. Donde δ es el alargamiento, L0 es la longitud inicial de la probeta (antes del ensayo), y LU es la longitud de la probeta estirada (en el momento de rotura), ambas expresadas en milímetros. δ = LU L0 El alargamiento unitario ε es la relación que existe entre el alargamiento δ de la probeta y la longitud inicial L0. ε δ L0 3
6.- Módulo de elasticidad o módulo de Young. Es un tipo de constante elástica, que relaciona una medida relacionada con la tensión, y una medida relacionada con la deformación. Se basa en la ley de Hooke que expresa la relación constante que existe entre los esfuerzos y los alargamientos unitarios. Se representa por la letra E, donde σp es la tensión unitaria en el límite elástico, ambas expresadas en kgf/mm 2, y ε es el alargamiento unitario. E σp ε ENSAYO DE COMPRESIÓN El ensayo de compresión se realiza en la máquina universal, la misma que la del ensayo de tracción. Es un ensayo mucho menos empleado que el ensayo de tracción, aplicándose sobre todo en probetas de materiales que van a trabajar a compresión, como aceros, fundiciones, piezas acabadas y hormigones. Estas han de ser capaz de provocar un estado de tensión compuesta que aumenta la resistencia del material, a medida que irá leyendo la influencia de cargas que recibe la probeta. detalle de la sección media de la probeta máquina universal En los ensayos de compresión la forma de la probeta tiene gran influencia, por lo que todos ellos son de dimensiones normalizadas. La probeta normal para materiales metálicos es un cilindro cuya altura es igual al diámetro. Utiliza probetas normalizadas cilíndricas para metales y cúbicas para los no metales. Todas las consideraciones tenidas en cuenta en el ensayo de tracción son válidas con sólo tener en cuenta que cambia el signo de tensiones y deformaciones. La resistencia a compresión de todos los materiales siempre es mayor que a tracción. Se suele usar en materiales frágiles. Hay que tener mucho cuidado en la colocación correcta de la probeta, de no ser así falsearía el resultado. probeta normal antes y después del ensayo El ensayo de compresión consiste en aplicar una carga estática a una probeta en dirección longitudinal de su eje, que tiende a provocar un acortamiento de la misma y cuyo valor se irá incrementando hasta la rotura, aplastamiento o suspensión del ensayo. Este ensayo estudia el comportamiento de un material sometido ante fuerzas o cargas de compresión progresivamente 4
crecientes. En los materiales elásticos no existe una carga de rotura por compresión, ya que se aplastan sin romperse. Los datos que proporciona el diagrama de compresión son similares a los de tracción, pero de signo contrario, Podemos destacar los siguientes puntos: parte móvil S S parte fija 1.- Tensión unitaria de compresión. Se representa por la letra σc, y se expresa en kgf/mm 2. Donde es la carga expresada en Newton y es la sección inicial de la probeta en mm 2. σc 2.- Contracción total. Se expresa en mm 2 y se representa por la letra ΔL, donde L0 es la longitud inicial de la pieza antes de que actuase la primera carga o fuerza y LU es la longitud final cuando actúa la última carga o fuerza. ΔL = L0 LU 5
3.- Contracción en %. Se representa por la letra a y se expresa en %. Donde L0 es la longitud inicial de la pieza antes de que actuase la primera carga o fuerza y LU es la longitud final cuando actúa la ultima carga o fuerza. a L O - LO L U.100 4.- Contracción unitaria. Se expresa en mm 2 y se representa por la letra ε, donde ΔL es la contracción total y L0 es la longitud inicial de la pieza antes de que actuase la primera carga o fuerza. ε ΔL L0 ENSAYO DE CIZALLADURA El ensayo de cizalladura o cizallamiento se realiza en la máquina universal, la misma que la del ensayo de tracción y compresión, con la diferencia, de que hay que cambiar las mordazas de sujeción de la probeta, por un útil especial que simula una cizalla. Está ha de estar bien fijada a los ejes para que no hayan holguras que puedan herrar el ensayo. El aparato de cizalladura debe estar en condiciones de aplicar un esfuerzo normal a las caras de la probeta y medir el cambio de espesor de esta. También debe ser capaz de aplicar una fuerza de cizalladura a la probeta a lo largo de un plano de cizalladura predeterminado (cizalladura simple) paralelo a las caras de la muestra. Las mordazas que sujetan la probeta, deben ser lo suficientemente rígidas para prevenir su distorsión durante el ensayo. Las diferentes partes del aparato de cizalladura deben ser construidas de un material que no esté sujeto a la corrosión por humedad como acero inoxidable, bronce, aluminio, etc., dependiendo del material a ensayar. Este ensayo es muy usado para chavetas, pernos, tornillos, remaches, etc. útil para cizalladura máquina universal Este ensayo determina el comportamiento del material sometido a un esfuerzo cortante, progresivamente creciente, hasta conseguir la rotura. El ensayo se lleva a cabo deformando una muestra a velocidad controlada, cerca a un plano de cizalladura determinado por la configuración del aparato de cizalladura. Los esfuerzos de cizalladura y los desplazamientos no se distribuyen uniformemente dentro de la muestra y no se puede definir una altura apropiada para el cálculo de las deformaciones por cizalladura. Aparte de cargas uniaxiales de tracción, los elementos de sujeción se encuentran sometidos en la práctica a cargas de cizallamiento que pueden causar una rápida rotura de la unión. Por ello hay que realizar también ensayos de cizallamiento en piezas unidas o probetas. 6
El diagrama esfuerzo-deformación del ensayo de cizallamiento es similar al de tracción y compresión, apareciendo una zona de proporcionalidad OP, el punto B es el límite de fluencia o limite practico de la zona elástica, de B a U la zona no es elástica y en U se produce la rotura. La tensión de cizalladura simple, donde es la fuerza en N y S el área de la probeta, se calcula: S σz La tensión de cizalladura compuesta con dos apoyos, se calcula: σz 2 ENSAYO DE LEXIÓN El ensayo de flexión se realiza en la máquina universal, la misma que la del ensayo de tracción, compresión y flexión, con la peculiaridad, de que hay que cambiar las mordazas de sujeción de la probeta y la que actúa aplicando la fuerza de deformación. Este ensayo se puede hacer de diferentes formas en función del ensayo, siendo estos de un solo apoyo, de dos apoyos y de cuatro apoyos. detalle de la flexión máquina universal Se utiliza para el estudio principalmente de fundiciones, de arcos y vigas, que son elementos estructurales pensados van a trabajar predominantemente en flexión. En los tubos, chapas y perfiles, al deformarlos cuando se someten fuerzas de torsión o de tensionamiento, el material aparece estirado y aplastado. Las chapas deformadas o abolladas aparecen tensiones de tracción y de presión en los puntos, los cuales no se puede reconocer siempre el efecto de fuerza original. Estas tensiones pueden ser eliminadas solamente a través del generamiento de contratensiones orientadas, cuyo efecto debe 7
exceder las tensiones originales. Cuanto más fuerte sea la deformación de la pieza de trabajo, mayores serán también las tensiones interiores en el material. También en los radios exteriores de flexiones se presentan tensiones de tracción a través del estiramiento del material. probeta cilíndrica probeta en pletina probeta en perfiles pesados y ligeros El ensayo de flexión consiste en someter a una deformación plástica una probeta recta de sección plena, circular o poligonal, mediante el pliegue de ésta, sin inversión de su sentido de flexión, sobre un radio especificado al que se le aplica una presión constante. Es importante que cumplas dichas condiciones, ya que todos los materiales oponen una resistencia contraria a cada cambio de forma o deformación. Es una prueba casi estática que determina el módulo de flexión, el estrés de flexión y la deformación por flexión. Este esfuerzo de flexión se obtiene cuando se aplican sobre un cuerpo pares de fuerza perpendiculares a su eje longitudinal, de modo que provoquen el giro de las secciones transversales con respecto a los inmediatos. La resistencia del material varía con la distancia entre apoyos, debido a que mientras los momentos flectores aumentan o disminuyen con ésta, los esfuerzos cortantes se mantienen constantes, por lo que será tanto menor su influencia cuanto mayor sea la luz entre apoyos. Es por esta razón que la distancia entre los soportes de la probeta, han de estar normalizadas, en función de la altura o diámetro de la misma, pudiendo aceptar entonces que la acción del esfuerzo de corte resulta prácticamente despreciable. Para ensayos más precisos la aplicación de la carga se hace por intermedio de dos fuerzas con lo que se logra flexión pura. El rasgo más destacado es que un objeto sometido a flexión presenta una superficie de puntos llamada fibra neutra tal que la distancia a lo largo de cualquier curva contenida en ella no varía con respecto al valor antes de la deformación. Cualquier esfuerzo que provoca flexión se denomina momento flector. Los resultados del ensayo de flexión muestran de forma especial el comportamiento del material cerca de la superficie de la probeta. En comparación con el ensayo de tracción, las flexiones medidas en el ensayo de flexión son aproximadamente cuatro veces mayores que los cambios de longitud en el ensayo de tracción. Si el efecto de fuerza es pequeño, no se somete la resistencia del material. Si este se encoje a su posición inicial nuevamente, la dilatación fue elástica, llamándose elasticidad recuperadora. Si el efecto de fuerza es mayor a la resistencia del material, se presenta una deformación plástica, donde el material finalmente se recoge en el tamaño de su dilación elástica. Por eso se debe tener siempre en cuenta la medida de la elasticidad recuperadora en el flexionamiento y en la torsión. Los resultados de esta prueba describen el comportamiento de un material a través de un diagrama de estrés-deformación, al igual que las pruebas de compresión y tracción. En este caso de onda senoidal, hay que imaginar que la tensión representada es una tensión con ciclos de tracción (cuando es positiva) y de compresión (cuando es negativa). 8
La resistencia a la flexión se calcula con la siguiente formula, donde la tensión será la relación del esfuerzo con la sección de donde actué. El momento flector se representa Mfmax, y se expresa en kgf/mm 2. Donde es la carga expresada en Newton y L es la longitud entre los apoyos. Si el modulo resistente Wz es: Mfmax Wz. L 4 π. d 32 Sustituyendo en la formula que determina la tensión y considerando el momento flector máximo, obtenemos la resistencia estática o modulo de rotura de la flexión. Se expresa en Kgmm/mm 2. 3 σf Mfmax WZ ENSAYO DE PANDEO El ensayo de pandeo se realiza en la máquina universal, la misma que la del ensayo de flexión, tracción, compresión y flexión. Se aplica sobre todo en probetas de materiales que van a trabajar a compresión, como aceros, fundiciones, piezas acabadas y hormigones. Estas han de ser capaz de provocar un estado de tensión compuesta que aumenta la resistencia del material, a medida que irá leyendo la influencia de cargas que recibe la probeta. Se utiliza para el estudio principalmente de vigas, pilares, tubos, perfiles, varillas, etc., que son elementos estructurales pensados van a trabajar predominantemente a compresión. El ensayo de pandeo tiene como objetivo investigar el comportamiento de elementos largos (esbeltos) sometidos a cargas de compresión axial, es decir, que no fallan por aplastamiento. Ya que, si se aumenta el trabajo a compresión de un pilar muy alto y delgado, o una barra que sea esbelta (de poca sección en relación a su longitud), aparece el peligro del pandeo. Se llama así a una brusca curvatura hacia un lado que sufre el pilar o la barra, y que generalmente termina en su rotura. 9
detalle de pandeo máquina universal El pandeo se produce al comprimir un elemento esbelto, por medio de dos fuerzas opuestas, aplicadas en su eje (línea central) longitudinal. Dichas fuerzas deben trasladarse en línea recta a lo largo de ese je, hasta anularse o contrarrestarse una frente a la otra. En teoría si el elemento comprimido es perfectamente recto, no debería producirse pandeo. Generalmente termina con la ruptura de la pieza afectada, salvo que desaparezca o disminuya antes la carga. La manera corriente de evitar el pandeo es aumentando la sección. La longitud de pandeo se representa por la letra l k, donde β es el coeficiente adimensional que depende de la forma de los apoyos, y l que es la longitud real de la pieza. l k = β. l ENSAYO DE TORSIÓN El ensayo de torsión se realiza en un maquina especial, que consta de una bancada donde van fijados los dos motores eléctricos de la máquina. En los ejes de los motores se fijan los mandriles, que es donde sujetamos las probetas. Y por último el ordenador, que es donde se queda recogida toda la información del ensayo. Como puede ser: fuerzas aplicadas, ángulo de torsión, r.p.m., etc. El ensayo de torsión tiene como objetivo determinar el comportamiento de materiales sometidos a cargas de giro. Consiste en aplicar un par torsor a una probeta por medio de un dispositivo de carga y medir el ángulo de torsión resultante en el extremo de la probeta. Este ensayo se realiza en el rango de comportamiento linealmente elástico del material. Sus datos se usan para construir un diagrama cargadeformación y para determinar el límite elástico del módulo elástico de torsión, el módulo de rotura en torsión y la resistencia a la torsión. Las probetas utilizadas en el ensayo son de sección circular. La deformación plástica alcanzable con este tipo de ensayos es mucho mayor que en los de tracción o en los de compresión. El esfuerzo cortante producido en la sección transversal de la probeta L y el ángulo de torsión α. 10
ángulo de torsión Los resultados del ensayo de torsión resultan útiles para el cálculo de elementos de máquina sometidos a torsión tales como ejes de transmisión, tornillos, resortes de torsión y cigüeñales. Los materiales empleados en ingeniería para elaborar elementos de máquinas rotatorias, como los cigüeñales y árboles motores, deben resistir las tensiones de torsión que les aplican las cargas que mueven. La torsión se refiere a la deformación helicoidal que sufre una determinada sección transversal de un cuerpo cuando se le aplica un par de fuerzas (sistema de fuerzas paralelas de igual magnitud y sentido contrario). El ángulo de torsión varía longitudinalmente. La torsión se puede medir observando la deformación que produce en un objeto un par determinado. La tensión cortante se representa por la letra τ y se expresa en kgf/cm 2. Donde M t es el momento torsor, expresado en kgf cm, y W 0 es el módulo resistente a la torsión, expresado en cm 3. τ Mt W0 11