TEMA 1: ENSAYOS Y MEDIDAS DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES 1. TIPOS DE ENSAYO 1.1. Según su rugosidad: Ensayos científicos: Obtenemos el valor concreto de una propiedad. Son reproducibles. Ensayos tecnológicos: Comprueba si un material es apropiado para una aplicación concreta. 1.2. Según la naturaleza del ensayo: Ensayos químicos Ensayos físicos Ensayos mecánicos 1.3. Según la utilidad de la muestra tras realizar el ensayo: Ensayos destructivos Ensayos no destructivos 1.4. Según la velocidad de aplicación de las fuerzas: Ensayos estáticos Ensayos dinámicos 2. ENSAYO DE TRACCIÓN 2.1. Ley de Hooke: F = Cte = tgα = E L E: Módulo de Young/elasticidad Las tensiones aplicadas sobre un elemento resistente son directamente proporcionales a las deformaciones producidas dentro del comportamiento elástico de los materiales. El ensayo de tracción se utiliza para comparar distintos materiales entre sí y averiguar si una pieza de un determinad material es capaz de soportar determinadas condiciones de carga. Se obtiene un diagrama fuerza-alargamiento. Para hacer comparables los resultados realizados con probetas de distintas dimensiones se utiliza el diagrama tensióndeformación. 2.2. Tensión La tensión aplicada a la probeta es la fuerza aplicada por unidad de superficie. Se mide en N/m 2 =Pa E(%) = L E = L L Lo = Lo 100 Lo Lo T = F So = N m 2
2.3. Diagrama de tracción Zona elástica (OE): Recupera la deformación: Zona proporcional (DP): Se cumple la Ley de Hooke Zona no proporcional (EU): No se sabe cómo reacciona el material Zona plástica (EU): Deformaciones permanentes: Zona de deformación plástica uniforme (ER): Poca tensión provoca mucha elongación. Zona de estricción o deformación plástica localizada Para que los ensayos con probetas de diferentes dimensiones sean comparables es preciso que la relación: K = Lo So = L o S o se mantenga constante. Parámetros: Límite de proporcionalidad (TP): Es la tensión a partir de la cual las deformaciones en la probeta dejan de ser proporcionales a las tensiones. Límite de elasticidad del material (TE, TY): Donde ya no se cumple la ley de Hooke. Resistencia a la tracción (TR). Resistencia a la rotyra (TU) Alargamiento a la rotura (A): Mayor determinación plástica alcanzada por la probeta en el ensayo. A(%) = L F Lo 100 Lo Estricción o Rotura (Z): Z(%) = So S F So 100
Trabajo de deformación: S = F dl Límite de fluencia: El límite de fluencia marca el comienzo de la zona de fluencia, que es una zona que aparece en metales como el acero y en la cual la probeta experimenta una deformación plástica considerable manteniendo la tensión de tracción aplicada. 2.4. Tensión máxima de trabajo Hay que tener en cuenta fuerzas externas. Eso se consigue: Mayorando las fuerzas a las que puede encontrarse sometida la pieza (multiplicar las fuerzas que apliquen tensión en el material por un coeficiente 1). Minorando la resistencia del material (dividir la resistencia por el coeficiente 1). 3. ENSAYOS DE DUREZA La dureza depende de la elasticidad del material y de su estructura cristalina. En las aleaciones la dureza aumenta con tratamientos térmicos, o con el endurecimiento por deformación. La dureza es una propiedad de gran importancia ya que está relacionada con la resistencia a la abrasión o desgaste y a la facilidad de mecanizado del material. 3.1. Ensayos de dureza al rayado: 3.1.1. Escala de Mohs Se usa en mineralogía. En él se comparan el material que se pretende analizar con 10 minerales tomados como patrones, numerados del 1 al 10 en orden creciente de dureza, según la llamada escala de Mohs: talco, yeso, calcita, fluorita, apatito, feldespato, cuarzo, topacio, corindón y diamante. Desventajas: no usa una escala lineal y no ofrece una medida exacta.
3.1.2. Dureza Martens Se emplea un cono de diamante con el que se raya la superficie del material cuya dureza se quiere medir. La dureza al rayado Martens es el inverso de la anchura de la raya obtenida. 3.2. Ensayos de dureza a la penetración: 3.2.1. Ensayo de Brinell El penetrador es una esfera de acero templado, de diámetro D, que oscila entre 1 y 10 mm, al que se le aplica una fuerza de entre 3000 y 1,25 kp durante un intervalo de tiempo de 15 segundos. Mide la superficie de la huella producida por el penetrador sobre el material. HB = F S kp/mm 2 HB = 2F π D(D D 2 d 2 D = diámetro de la bola d = diámetro de la huella F = K D 2 Inconvenientes: No se puede realizar sobre superficies esféricas o cilíndricas. Se cometen grandes errores en la medida del diámetro de la huella cuando la deformación es pequeña. Únicamente es aplicable en el caso de materiales cuyas durezas sean inferiores a las del penetrador. 3.2.2. Ensayo Vickers En este ensayo de dureza se utiliza como penetrador un diamante, tallado en forma de pirámide de base cuadrada con un ángulo de 136º. HV = F S kp/mm 2 HV = F S = 1,8544 F d 2 Ventajas: No es necesario sustituir el penetrador al variar la carga. Se puede utilizar en superficies curvas. El valor de la dureza es prácticamente independiente del valor de la carga. La prueba se puede realizar sobre materiales muy duros.
3.2.3. Ensayo Rockwell Es el ensayo más utilizado, sin embargo, su exactitud es menor que la de los ensayos anteriores. Mide la profundidad de la huella producida. Utiliza 2 escalas: Rockwell B (HRB): En materiales blandos se utiliza un penetrador de 1,59 mm de diámetro. Rockwell C (HRC): En materiales duros se emplea un cono de diamante redondeado en su punta. Los distintos pasos de los que consta el ensayo Rockwell son: Se aplica una precarga de 10 kp, con lo que el penetrador originará una huella de profundidad h1. A continuación, se aplica al penetrador el resto de la carga (90 kp si es HRB y 140 si es HRC), produciéndose una huella de profundidad h2. Transcurridos unos segundos, se vuelve a aplicar una precarga de 10 kp, creando la huella h3. e = h3-h1 HRC=100 - e HRB=130 - e 4. ENSAYO DE RESISTENCIA AL IMPACTO: La tenacidad se define como la capacidad que tiene un material para almacenar energía en forma de deformación plástica antes de romperse. 4.1. Ensayo de tracción por choque Un ensayo de tracción simple es aquel en el que la velocidad de aplicación de la fuerza sea alta. 4.2. Ensayo de flexión por choque / Ensayo Charpy Consiste en golpear la probeta por el lado opuesto a la entalla con un péndulo que se deja caer libremente desde cierta altura. W = Ep 1 Ep 2 Ep 1 = m. g. h 1 Ep 2 = m. g. h 2 KCV = W S o En muchos metales existe un intervalo de temperaturas, conocido como zona de transición, en la que al disminuir la temperatura se produce una disminución considerable de la resiliencia.
5. ENSAYO DE FATIGA Amplitud de ciclo: T = T max T min 2 Tensión media: T = T max+t min 2 El ensayo de fatiga más habitual es aquel en que se somete una probeta de dimensiones normalizadas a un esfuerzo de flexión rotativa. La probeta se somete en su zona central a un esfuerzo de flexión constante producido por los dos pesos. Mediante un motor eléctrico se hace girar a la probeta, esta experimenta un proceso cíclico, de tal forma que su parte superior está sometida a un esfuerzo de compresión y la inferior a uno de tracción. Como resultado, se determina el número de ciclos que la probeta es capaz de soportar antes de producirse la rotura. Según el diagrama de Wohler, cuanto mayor sea la amplitud del ciclo de carga menor es el número de ciclos que se realizan antes de la rotura. En los aceros y en las aleaciones de titanio existe un valor de At por debajo del cual no se produce rotura por fatiga. 6. ENSAYOS TECNOLÓGICOS 6.1. Ensayos tecnológicos en barras 6.1.1. Ensayo de flexión y plegado Se pretende comprobar con este ensayo la flexibilidad del material. El ensayo finaliza cuando la barra alcance el ángulo previsto o aparezcan fisuras. 6.1.2. Ensayo de recalcado Se lleva a cabo para comprobar el comportamiento del material bajo de compresión. Se aplica una fuerza de compresión hasta que su altura se reduce 1/3 de la inicial, o hasta que aparezcan las primeras fisuras. Grado de recalcado: (h0-h1) / h0, siendo h1 la altura en el momento en que empiezan a producirse las fisuras.
6.1.3. Ensayo de maleabilidad Con un martillo mecánico de mano se golpea la probeta cuando está al rojo, hasta que la anchura alcanzada (b ) sea una vez y media la anchura inicial (b =1,5. b). 6.1.4. Ensayo de mandrilado Se realiza una perforación cilíndrica cuyo diámetro sea el doble que el espesor. Por la perforación se introduce un punzón hasta que el nuevo diámetro sea el doble que el primitivo o hasta que aparezcan fisuras. 6.2. Ensayos tecnológicos en chapas 6.2.1. Ensayo de flexión alternativa Se usa tanto en chapas como en alambres. La chapa se sujeta entre dos mordazas y se dobla 90º alternativamente a uno y otro lado hasta que aparezca la primera fisura o se produzca la rotura. 6.2.2. Ensayo de embutición Consiste en estampar una bola o cilindro con un extremo esférico sobre una chapa sujeta por todos sus lados. 7. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS Ensayos macroscópicos: utilizando líquidos penetrantes Ensayos ópticos: mediante el microscopio metalográfico Ensayos magnéticos Ensayos eléctricos: miden la resistencia eléctrica Ensayos con ultrasonidos: detectan defectos superficiales Ensayos con rayos X y Gamma: Detectan defectos internos