SEPARATA N 03 ENSAYOS COMPRESIN Y DUREZA APLICADOS EN METERIALES METALICOSEN APOYO CURSO FRACTURA Y MECNICA DE FRACTURA FECHACONTENIDO

UNIVERSIDAD NACIONAL JOS FAUSTINO SNCHEZ DE CARRIN

Mg. Ing METALURGISTA CIP N 144416 NICANOR MANUEL VEGA PEREDA1313

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ENSAYO DE COMPRESINENSAYO DE FATIGAENSAYO DE DUREZAENSAYO BRINELLENSAYO VICKERSImportanteENSAYO ROCKWELLENSAYO KNOOPENSAYO DE RESILIENCIAENSAYOS TECNOLGICOS

DESARROLLO1.1 ENSAYO DE COMPRESINAntes de continuar con el resto de ensayos, debemos saber que las mquinas utilizadas para efectuar ensayos de traccin disponen de un conjunto de accesorios intercambiables que permiten la aplicacin de diferente tipo de esfuerzos, pudiendo realizarse ensayos de distintos tipos: compresin, flexin, plegado, cortadura, etc. Por este motivo, a estos equipos se les conoce como mquinas universales de ensayo o dinammetros universales. El ensayo de compresin es similar al de traccin, 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 seccin. La mquina de ensayos, como hemos dicho, es la misma que en el de traccin.

El ensayo de compresin vara respecto al de traccin en que: El de traccin est normalizado y el de compresin no.

El sentido de aplicacin de la fuerza.

La mquina que utilizamos para realizarlo es diferente.

Los procedimientos de todos los ensayos estn normalizados. En ambos ensayos aplicamos una fuerza axial; pero en el de traccin es estirando el material, y en el de compresin comprimindolo. Los dos ensayos se realizan con las mismas mquinas universales de ensayo, aunque con diferentes utillajes. 1.2. ENSAYO DE FATIGAEn 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 tensin de rotura esttica e incluso del lmite elstico del material, generando la iniciacin y propagacin de una grieta hasta el fallo final por fractura. A este fenmeno se le conoce como fatiga. Con cada ciclo se resiente la pieza y despus de un cierto nmero de ciclos determinado, la pieza est tan debilitada que rompe por fatiga. a. ENSAYO DE FATIGAEn algunas piezas metlicas, por elevado que sea el nmero de ciclos de trabajo, con cargas por debajo de un cierto valor de tensin no se produce la rotura de la pieza. Pero tambin ocurre al contrario, con cargas por encima de un cierto valor de tensin la rotura viene para un nmero reducido de ciclos. Por ello el estudio de la fatiga de los materiales es realmente complicado, y provoca un elevado nmero de roturas de piezas industriales que han sido fabricadas con materiales frricos. Adems, otra de las caractersticas 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 mquinas rotativas, tornillos, vehculos, puentes, plataformas martimas, barcos, alas de aviones, ruedas de ferrocarril y otros productos de consumo.

El anlisis de fatiga estructural es una herramienta para evaluar la validez de un diseo o su durabilidad bajo condiciones de cargas simples o complejas, conocidas como cargas de servicio. Los resultados del anlisis de fatiga se representan mediante contornos en color que muestran la duracin de los ciclos de carga que la estructura puede soportar antes de que se inicie cualquier grieta. Qu sabes de la fatiga? La fatiga hace que fallen las piezas sometidas a cargas muy elevadas. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! La fatiga hace que fallen las piezas despus de haber sido sometidas a una carga, no necesariamente elevada, pero que se repite cclicamente. La rotura de una pieza por fatiga se produce de forma casi instantnea. Verdadero Falso Correcto! Incorrecto! El problema de la fatiga es que la rotura viene de una forma repentina, sin darnos cuenta de que la pieza va a fallar. Una de las zonas donde aparece la fatiga es en las uniones metlicas. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! Para que aparezca la fatiga se deben repetir ciclos de carga y descarga. En una unin no se repiten esos ciclos. 1.3. ENSAYO DE DUREZANecesitamos que el acero 1030 sea duro, con el ensayo de dureza adecuado sabremos cul es su dureza.Dureza es la resistencia que opone un material a la deformacin permanente (plstica) 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 mecnicos 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 segn sea su forma, as ser la huella que queda grabada en el material. Segn el tipo de materiales y su geometra se emplean distintos mtodos de ensayos de dureza, Brinell, Vickers, Rockwell y Knoop, que veremos a continuacin. ESCALA DE MOHS En geologa se utiliza la escala de Mohs, que consiste en una tabla de diez minerales, donde cada miembro es ms duro que los que estn delante de l en la escala y ms blando que los que estn detrs. 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 estar comprendida entre la del ltimo elemento que no consigui rayar el mineral y el primero que lo hizo. DurezaMineral Composicin qumica

1Talco, (se puede rayar fcilmente con la ua) Mg3Si4O10(OH)2

2Yeso, (se puede rayar con la ua con ms dificultad) CaSO42H2O

3Calcita, (se puede rayar con una moneda de cobre) CaCO3

4Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo) CaF2

5Apatita, (se puede rayar difcilmente con un cuchillo) Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F)

6Feldespato, (se puede rayar con una cuchilla de acero) KAlSi3O8

7Cuarzo, (raya el vidrio) SiO2

8Topacio Al2SiO4(OH-,F-)2

9Corindn, (slo es rayado por el diamante) Al2O3

10Diamante, (el mineral natural ms duro) C

Un material es duro cuando: No es fcil rayarlo.

No es fcil penetrarlo.

No es fcil romperlo.

Decimos que un material es duro cuando opone resistencia ser rayado o penetrado. En lenguaje coloquial s que decimos que un material es duro cuando no se rompe, pero eso no es tcnicamente correcto. Se utilizan distintos ensayos de dureza (Brinell, Vickers...): Segn el tipo de material que vamos a ensayar y su tamao.

Segn el tipo de material que vamos a ensayar y su geometra.

Segn el tipo de material que vamos a ensayar y su estructura.

Los distintos ensayos de dureza se definen por el tipo de material que vamos a ensayar y su geometra; no tiene nada que ver el tamao y la estructura. Un elemento tiene una dureza que est comprendida entre el 5 y el 6 de la escalada de Mohs. Rayar al yeso? No tienes ms que ir a la escala de Mohs y ver que el yeso tiene una dureza de 2, por lo que ese elemento tiene una dureza mayor que la del yeso, y, por lo tanto, podr rayarlo.

1.4.1. ENSAYO BRINELLEl 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 7-422-85. En el ensayo Brinell el penetrador es una bola de acero templado (muy duro).

La dureza Brinell se calcula en funcin del rea del casquete de la huella realizada y de la carga aplicada.

Como el rea del casquete de la huella no es una medida que podamos tomar directamente, la expresin, en trminos de dimensiones que podemos medir ser:

siendo: F: carga aplicada en kg D: dimetro de la bola en mm d: dimetro de la huella en mm

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. Slo es adecuado para materiales de espesor grueso, ya que las huellas que se obtienen son ntidas y de contornos bien delimitados. Si se aplica a materiales de espesores pequeos se deforma el material y los resultados obtenidos son errneos. En estos casos se deber disminuir la carga aplicada, con lo que las huellas sern menos profundas y el dimetro del penetrador, para que el dimetro de la huella quede comprendido entre D/4 y D/2 No es recomendable para piezas cilndricas y esfricas. Cuando la deformacin es pequea, se cometen errores significativos al medir el dimetro de la huella. Al variar la carga, es necesario sustituir el penetrador.Cuando damos la dureza Brinell de un material damos los siguientes datos:

En este ensayo la carga a aplicar depende del material a ensayar y del cuadrado del dimetro de la bola del penetrador.

El tiempo de aplicacin de la carga es funcin de la dureza del material a ensayar, oscilando entre 10 segundos y 3 minutos; a mayor dureza, menor tiempo de aplicacin. Recordamos el ensayo Brinell. La dureza se determina en funcin de la profundidad de la huella. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! La dureza se determina en funcin del rea del casquete que forma su huella, si bien esa rea depende, en parte, de la profundidad de la huella. Es aplicable a materiales de dureza extrema. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! El ensayo Brinell se aplica a materiales cuya dureza no supere los 500 HB; si se aplica a materiales muy duros se cometen errores significativos. Es aplicable a materiales de espesores pequeos. Verdadero Falso Correcto! Incorrecto! Aunque da resultados ms fiables si los espesores son grandes, se puede utiliazr para espesores pequeos disminuyendo la carga aplicada y el dimetro del penetrador. En un ensayo de dureza Brinell se aplica una carga de 3000 Kp al penetrador, cuyo dimetro es de 10 mm. Si el dimetro de la huella es de 5 mm, determina: a) Dureza del material.b) Se obtendra el mismo valor de dureza si la carga fuese de 750 Kp y el dimetro de la bola fuese de 750 Kp?Para calcular la dureza, aplicaremos la frmula dada con los datos del problema:

Para contestar al segundo apartado debemos calcular la constante que relaciona la fuerza aplicada y el dimetro del penetrador, es decir:

Sustituiremos el valor de la carga y del dimetro en la expresin, en las dos situaciones, y si obtenemos la misma constante, obtendramos la misma dureza.

Como la K es la misma, la dureza obtenida sera la misma.

1.4.2. ENSAYO VICKERSImportante El ensayo Vickers viene definido por la norma UNE 7-423-84. En el ensayo Vickers el penetrador es una pirmide de base cuadrada, cuyas caras opuestas forman un ngulo de 136.

La dureza Vickers se calcula de forma similar a como lo hacamos en el ensayo Brinell. En este caso la dureza es funcin de la superficie lateral de la huella y de la carga aplicada.

Igual que suceda en Brinell, como la superficie lateral de la huella no es una medida que podamos tomar directamente, la expresin, en trminos de dimensiones que podemos medir ser:

siendo: F: carga aplicada en kg d: diagonal de la huella en mm

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 cilndricas o esfricas. 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 prcticamente independiente del valor de la carga). Los ensayos Brinell y Vickers, dan resultados parecidos hasta un valor de 300; a partir de aqu la dureza Vickers es superior a la Brinell, ya que la deformacin 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 ms empleada.El tiempo de aplicacin vara entre 10 y 30 segundos, siendo 15 segundos lo ms habitual.Cuando damos la dureza Vickers de un material damos estos datos:

La nica diferencia entre el ensayo Vickers y el Brinnel es el penetrador utilizado. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! Adems de diferenciarse en el penetrador, tambin se diferencian en el tipo de material al que se puede aplicar el ensayo. La dureza Vickers slo depende del rea lateral de la huella realizada. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! La dureza Vickers depende del rea lateral de la huella realizada, pero tambin de la carga aplicada en el ensayo.. El ensayo Vickers es ptimo para determinar durezas de piezas de muy pequeo espesor. Verdadero Falso Correcto! Incorrecto! Se puede emplear con piezas de espesores de hasta 0.2 mm. 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. No tenemos ms que aplicar la expresin de la dureza Vickers.

Y sustituir los datos de nuestro problema:

En este video vas a ver cmo se realiza un ensayo Vickers, pero totalmente informatizado. A partir de un ordenador transmitimos la orden de aplicar la carga correspondiente, y tambin en una pantalla vemos la huella realizada y desde all mismo podremos medirla.

1.4.3. ENSAYO ROCKWELL

El ensayo Rockwell viene determinado por la norma UNE 7-424-89.

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 dimetro 1.5875 mm, y la dureza determinada ser una dureza Rockwell B. Para materiales duros (con durezas mayores que 200) el penetrador es un cono de diamante de 120 en la punta, y la dureza determinada ser una dureza Rockwell C.El ensayo Rockwell es un ensayo rpido y fcil de realizar pero menos preciso que los anteriores, en el que la dureza se obtiene en funcin 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: 1. Se aplica una carga de 10 kg al penetrador (bola o cono), provocando una pequea huella en la superficie del material a ensayar; se mide la profundidad de esta huella, h1, y se toma como referencia, colocando a cero el comparador de la mquina.2. 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 continuacin se mide la profundidad de la huella producida, h2.3. Se retira la carga, con lo que el material trata de recuperar su posicin inicial quedando una huella permanente de una profundidad h1+e.

La dureza RocKwell no se expresa directamente en unidades de penetracin, sino como diferencia de dos nmeros de referencia:HRC = 100 e y HRB = 130 - eLa diferencia entre HRB y HRC es el dimetro del penetrador. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! La diferencia es el penetrador, no su dimetro. En la HRB el penetrador es una bola de acero y en la HRC es un cono de diamante. La dureza Rockwell viene dada por la profundidad de la huella una vez que hemos eliminado la carga. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! La dureza Rockwell viene dada por la diferencia de la profundidad de la huella inicial y la de la huella una vez retirada toda la carga. La dureza Rockwell mide la deformacin plstica que se produce en el ensayo. Verdadero Falso Correcto! Incorrecto! La dureza Rockwell mide la deformacin plstica que se produce en el ensayo. porque lo que medimos es la huella permanente que aparece cuando, al retirar la carga, el material trata de recuperar su posicin inicial.

1.4.4. ENSAYO KNOOPSe emplea nicamente en laboratorio para medir microdurezas, o bien durezas de lminas de un espesor muy reducido. El penetrador es una punta de diamante con forma de pirmide rmbica cuya relacin entre diagonales es de 1:7, sus ngulos entre aristas son a=130 y b= 172 30.

La dureza Knoop se obtiene por la frmula:

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 lmina de 0.1 mm de espesor se utiizar el ensayo Knoop. Verdadero Falso Correcto! Incorrecto! El ensayo Brinell no serva para piezas de espesor pequeo, el Vickers s, pero hasta espesaores de 0.2 mm. Es el ensayo Knoop el que se utiliza para piezas de espesores menores. El penetrador utilizado en un ensayo Knoop es una pirmide rmbica de acero. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! En el ensayo Knoop se utiliza como penetrador una pirmide rmbica de diamante. El ensayo Knoop es el ensayo ms habitual por ser el ms exacto. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! El ensayo Knoop es un ensayo ms riguroso y slo se hace en laboratorio.

1.5. ENSAYO DE RESILIENCIAQu pasa si una moto choca contra el puente? Tendremos que saber cunta energa puede absorber el acero cuando recibe un golpe para as 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 golpendola con un pndulo. Para facilitar el inicio de la fisura, se realiza una hendidura o entalladura en la probeta. El objetivo del ensayo es conocer la energa que puede soportar un material al recibir un choque o impacto sin llegar a romperse. Para realizar este ensayo se utiliza el pndulo Charpy, que consta de un brazo giratorio con una maza en su extremo, que se hace incidir sobre la probeta provocando su rotura. El pndulo, de masa m, se encuentra a una altura inicial H, por lo que tiene una determinada energa potencial antes de iniciar el ensayo. Cuando se inicia el ensayo, se libera el pndulo que, tras golpear la probeta y romperla, continua con su giro, alcanzando una altura final h, por lo que tendr una nueva energa potencial. La energa que ha absorbido la probeta durante su rotura ser la diferencia de energas potenciales inicial y final. Si la probeta no se rompe y el pndulo se detiene al chocar sobre sta, es necesario aumentar la energa potencial del pndulo, o bien aumentando la masa, o bien aumentando la altura inicial.

La resiliencia se obtiene con la expresin:

Y se expresa en julios/cm2

Cuanto ms frgil sea el material y menor su tenacidad, menos resiliencia presentar. Materiales muy dctiles y tenaces absorben grandes cantidades de energa de choque. Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composicin qumica 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.

Una probeta de seccin 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 pndulo de 20 Kgf que cae desde 90 cm, y que, tras la rotura, alcanza 70 cm. Determinar: a) Energa absorbida en el choque por la probeta. b) Resiliencia del material.

SOLUCINLa seccin en la zona de la entalla ser:

La resiliencia, o lo que es lo mismo, la energa absorbida en el impacto, ser el resultado de restar la energa potencial que tiene la maza al inicio del ensayo y en el momento final:

1.6. ENSAYOS TECNOLGICOSAhora ya conocemos las propiedades mecnicas de nuestro material, y vamos a decidir que es con el que vamos a construir nuestro puente, pero, "se dejar"? Tendremos que saber, por ejemplo si una chapa de ese material se puede doblar, o deformar. As que nos faltan otros ensayos: los tecnolgicos.En los ensayos tecnolgicos no se pretende conocer valores cuantitativos de determinadas propiedades o caractersticas de un material; lo que se persigue es tratar de obtener informacin acerca de si el material va a ser capaz de soportar las condiciones de esfuerzos y cargas que sufrir en sus condiciones normales de trabajo. Por eso se tratar de reproducir lo ms fielmente posible estas condiciones durante la realizacin de este tipo de ensayos. Son ensayos tecnolgicos: 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 fabricacin de tornillos, remaches, lengetas y chavetas. Ensayo de plegado Se emplea para determinar la capacidad de deformacin de un material en la zona plstica. Consiste en doblar probetas y observar si aparecen grietas.Ensayo de embuticin Comprueba la capacidad de deformacin de chapas de materiales. Para ello se presiona el vstago sobre la chapa a ensayar, hasta que se produce la primera grieta, entonces se comprueba cuanto se ha introducido el vstago.

El resultado del ensayo de plegado se da en mm. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! Los ensayos tecnolgicos como el de embuticin no dan resultados cuantitativos; slo determinan si un material es apto para una aplicacin o no. http://www.instron.com.es/wa/home/default_es.aspxhttp://www.zwick.es/es/aplicaciones/metales.html