01 ensayos mecanicos
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Ensayos Mecnicos
Ing. Jaime Gonzlez Vivas
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ENSAYOS
Clasificacin de los ensayos
a estos ensayos se les llama de caractersticas internas y los mas usuales
son
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Efecto de una fuerza sobre un slido Esfuerzo.
A
P
La magnitud del efecto es directamente proporcional
a F e inversamente proporcional a A
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Universidad de Atacama Departamento de Metalurgia
Los materiales poseen una serie de caractersticas, entre las cuales
destacan las propiedades mecnicas, tales como:Ductilidad
Maleabilidad
Resistencia
Dureza
Tenacidad
Existen ensayos que permiten determinar el comportamiento de un
material ante la aplicacin de una carga. Los resultados de estas pruebasconstituyen las propiedades mecnicas del material. Es conveniente,
entonces, aclarar algo el significado de estos trminos.
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Ductilidad: capacidad que tiene un material para deformarse sin rompersecuando est sometido a esfuerzos de traccin; por ejemplo en el estirado de
un alambre.
Maleabilidad: capacidad que presenta el material para soportar
deformacin sin rotura sometido a compresin, caso de forja o laminado.
Elasticidad: capacidad de un material que ha sido deformado para regresar a
su estado y tamao original, cuando cesa la accin que ha producido la
deformacin. Cuando el material se deforma permanentemente, de tal
manera que no pueda regresar a su estado original, se dice que ha pasado
su lmite elstico.
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Dureza:Mide la resistencia a la penetracin sobre la superficie de un material,
efectuada por otro material.
Resistencia: se definen varias; por ejemplo, resistencia a la traccin es la carga
(Fuerza) mxima por unidad de rea que puede soportar el material al ser
estirado. Los valores de resistencia son utilizados en todo lo que se refiere a
diseo.
Fragilidad: Lo opuesto a ductilidad. Un material frgil no tiene resistencia a
cargas de impacto y se fractura an en cargas esttica sin previo aviso. Tanto la
fragilidad como la ductilidad de un material son medidas arbitrarias, pero
puede decirse que un material con un alargamiento mayor de 5% es dctil y
menor de 5% es frgil. Se pueden clasificar los materiales en frgiles y
dctiles, habiendo dentro de ellos diferentes grados.
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Tenacidad: Es la energa absorbida por el material durante el proceso dedeformacin y ruptura; est directamente relacionada con la resistencia y
ductilidad. Por ejemplo, el vidrio, el hierro fundido y el acero endurecido
son poco tenaces, porque sus ductilidades son muy bajas y en algunos
casos casi cero, aunque tienen una buena resistencia (bastantes duros). Unmetal como el cobre es bastante tenaz, pues tiene una buena resistencia y
buena ductilidad. Mientras que una "goma de mascar" tiene menos
tenacidad, ya que aunque la ductilidad es enorme su resistencia es muy
baja.
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Plasticidad: Es la habilidad de un material para adoptar nuevas formasbajo la presin y retener esa nueva forma. El rango de adaptacin puede
variar considerablemente de acuerdo con el material y sus condiciones.
Esfuerzo: Fuerza aplicada a un rea conocida.
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Ensayos Mecnicos.
Tensin (tension test)
Dureza (hardness test)
Torsin (torsion test)
Fractura (fracture mechanics)
Fatiga (fatigue)
Creep (Creep and stress rupture)
Impacto y fractura frgil (brittlefracture and impact testing)
Composicin
Microestructura
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Ensayo de tensin
El Ensayo de traccin se
realiza bajo la norma
ASTM E-8 ASTM A 370,
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Se coloca una probeta
estndar (0,505 pulg dedimetro y longitud
calibrada de 2 pulg) en
una mquina de ensayo
consistente de dos
mordazas, una fija y otra
mvil. Se procede a medir
la carga mientras se aplica
el desplazamiento de la
mordaza mvil.
Equipamiento para el ensayo de tensin
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Esquema de probetas que se utilizan en el ensayo de traccin
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Probetas normalizadas.
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Esfuerzo y deformacin ingenieriles
Los resultados de un ensayo se aplican a todos los tamaos y seccionestransversales de un material, siempre que la fuerza se convierta en esfuerzo y
la distancia entre las marcas de calibracin se conviertan en deformacin
Esfuerzo ingenieril
Deformacin ingenieril
0A
F
0l
l
A0: rea seccin transversaloriginal
Io: distancia original entre
marcas de calibracin
I: cambio de longitud
despus de haber aplicado el
esfuerzo
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Curva esfuerzo deformacin para una aleacin de aluminio
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Curvas tensin deformacin de algunos metales y aleaciones
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Propiedades obtenidas en el ensayo de tensin
Esfuerzo de cedencia (esfuerzo de fluencia): esfuerzo que divide los
comportamientos elsticos y plsticos del material. El valor crtico del
esfuerzo necesario para iniciar la deformacin plstica se llama lmite
elstico del material. En los materiales metlicos es el esfuerzo necesario
para iniciar el movimiento de las dislocaciones.
El lmite elstico puede definirse como el esfuerzo mnimo al que ocurre la
primera deformacin permanente.
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UNIVERSIDAD
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p deformacin plstica impuesta
e deformacin elstica asociada
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Resistencia a la tensin (resistencia a la traccin): esfuerzo obtenido con la
mxima fuerza aplicada
Es el esfuerzo mximo, basado en la seccin transversal original, que puede
resistir un material.
Es el esfuerzo en el cual comienza la estriccin en los materiales dctiles
Deformacin localizada durante
el ensayo de tensin de un
material dctil, produciendo unaregin de cuello
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Esfuerzo de ruptura: es el esfuerzo basado en la seccin original, que produce
la fractura del material
La deformacin se concentra en la zona del cuello, provocando que la fuerza
deje de subir. Al adelgazarse la probeta, la fuerza queda aplicada en menor rea,
provocando la ruptura.
Esquema de la secuencia de
ruptura de las probetas en un
ensayo de traccin
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Mdulo de elasticidad o mdulo de Young (E): es el valor de la
pendiente de la parte recta del diagrama esfuerzo v/s deformacinunitaria
),( p siP aE
Ley de Hooke
Es una medida de la rigidez
de un material
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Tiene una estrecha relacin con la energa de enlace atmico, por lo tanto es
mayor para materiales de punto de fusin alto.
Un alto mdulo de elasticidad indica que se necesitan grandes fuerzas para
separar los tomos y producir la deformacin elstica del metal.
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Resiliencia
Es la capacidad de un material para absorber energa cuando es deformado
elsticamente y devolverla cuando se elimina la carga
Mdulo de resiliencia: Corresponde a la energa de deformacin por unidad de
volumen requerida para deformar el material hasta el lmite elstico
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Tenacidad a la tensin: capacidad de absorber energa en el campo plstico,
antes de fracturarse (trabajo de fractura).
Se determina como el rea bajo la curva esfuerzo- deformacin ingenieril. Esta
superficie es una indicacin del trabajo total, por unidad de volumen que puede
realizarse sobre el material sin que se produzca rotura
Comparacin de las curvastensin-deformacin dedos aceros, con alta
tenacidad y baja tenacidad
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Ductilidad: mide la cantidad de deformacin que puede resistir un material
sin romperse.
El % de elongacin describe la deformacin plstica permanente antes de la
falla.
La reduccin porcentual del rea describe la cantidad de adelgazamiento que
sufre la muestra durante el ensayo
100%
100%
0
0
0
0
xA
AAreaenreduccin
xL
LLelongacinde
f
f
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Comportamiento dctil y frgil
El comportamiento de los materiales bajo carga se puede clasificar como
dctil o frgil segn que el material muestre o no capacidad para sufrir
deformacin plstica.
a) acero dctil b) un acero frgil.
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Propiedades tpicas promedio de algunos materiales metlicos
Material F (Mpa) M (Mpa) E (Gpa)
Acero inoxidables 280700 4001000 190210
Acero alta
resistencia340 - 1000 5501200 190210
Bronce comercial 82690 200830 3644
Latn laminado 70550 200620 3641
Aluminio 2014-T6 410 480 28
Cobre 55 - 760 230 - 830 4047
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El efecto de la temperatura (a) sobre la curva esfuerzo-deformacin (b) sobre
las propiedades de tensin de una aleacin de aluminio
Variables que afectan a la curva de tensin: Temperatura
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Curva esfuerzo deformacin acero de baja aleacin
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COMPORTAMIENTO DEL MATERIAL EN EL FORMADO DE METALES
La curva esfuerzo-deformacin ofrece una visin que permitecomprender el comportamiento de los metales durante su
formacin. La curva tpica de esfuerzo-deformacin para lamayora de los metales se divide en una regin elstica y unaregin plstica. En el formado de un metal, la regin plsticaes de inters primordial debido a que en estos procesos elmaterial se deforma plstica y permanentemente. En la
regin plstica, el comportamiento del metal se expresa porla curva de fluencia:
= Kn
Donde:K = coeficiente de resistencia, (MPa);n = es el exponente de endurecimiento por deformacin.
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Los valores tpicos de K y n para diferentes metales atemperatura ambiente se enlistan en la tabla
E f d fl i
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Esfuerzo de fluencia
La curva de fluencia describe la relacin esfuerzo-deformacin enla regin donde tiene lugar el formado del metal. Tambin indica el
esfuerzo de fluencia del metal, la propiedad de resistencia quedetermina las fuerzas y la potencia requerida para realizar unaoperacin particular de formado.El esfuerzo de fluencia se define corno el valor instantneo delesfuerzo requerido para continuar la deformacin del material o
mantener "fluyendo" al metal. sta es la resistencia a la fluenciadel metal en funcin de la deformacin, que puede expresarsecomo:
Yf = Kn
DondeYf = esfuerzo de fluencia, (Mpa).
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EFECTO DE LA TEMPERATURA DE DEFORMACIN
La ventaja ms significativa del trabajo en caliente es lacapacidad de producir deformaciones plsticassustanciales del metal, ms de las que son posibles conel trabajo en fro o el trabajo que se lleva a cabo por
debajo de la temperatura de recristalizacin. . La raznprincipal es que la curva de fluencia del metaltrabajado en caliente tiene un coeficiente de resistenciasustancialmente menor que a temperatura ambiente,
el exponente de endurecimiento por deformacin escero (al menos tericamente), y la ductilidad del metalse incrementa significativamente.
EFECTO DE LA VELOCIDAD DE DEFORMACION
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EFECTO DE LA VELOCIDAD DE DEFORMACION
La rapidez a la que se deforma el metal en un proceso deformado se relaciona directamente con la velocidad dedeformacin v. En muchas operaciones de formado, lavelocidad de deformacin es igual a la velocidad del punzn ode cualquier otro elemento mvil del equipo. Esto se visualizams fcilmente en un ensayo de tensin, como la velocidaddel cabezal de la mquina con respecto al cabezal. Dada la
rapidez de deformacin, la velocidad de deformacin sedefine Donde:
= velocidad de deformacin real, (m/seg/m), o simplementes-';h = altura instantnea de la pieza de trabajo que se deforma,(m).
Ya hemos observado que el esfuerzo de fluencia de un metal es una
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Ya hemos observado que el esfuerzo de fluencia de un metal es unafuncin de la temperatura. En las temperaturas del trabajo en caliente, elesfuerzo de fluencia depende de la velocidad de deformacin. El efecto dela velocidad de deformacin sobre las propiedades de resistencia seconoce como sensibilidad a la velocidad de deformacin. El efecto se
puede ver en la figura 3.4. Al aumentar la velocidad de deformacin, seincrementa la resistencia a la deformacin. Esto se representa usualmentecomo una lnea aproximadamente recta en una grfica log-log, lo cualconduce a la siguiente relacin.
Yf = C
m
Dnde:
C = es la constante de resistencia (similar pero no igual al coeficiente deresistencia en la ecuacin 3.1 de la curva de fluencia)
m = es el exponente de sensibilidad a la velocidad de deformacin.
El valor de C se determina a una velocidad de deformacin de 1.0 y m es lapendiente de la curva en la figura 3.4 (b).
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Ensayo de Compresin
Un ensayo de compresin se realiza de forma similar a un ensayo de traccin,
excepto que la fuerza es compresiva y la probeta se contrae a lo largo de ladireccin de la fuerza.
Esfuerzo ingenieril
Deformacin ingenieril
0A
F
0l
l
A0: rea seccin transversal original
Io: distancia original entre marcas
de calibracin
I: cambio de longitud despus de
haber aplicado el esfuerzo
Por convencin, una fuerza de compresin se considera negativa y, por
tanto, produce un esfuerzo negativo.
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Los ensayos de compresin se utilizan cuando se desea conocer el
comportamiento del material bajo grandes deformaciones permanentes
(deformacin plstica), tal como ocurren en los procesos de conformacin, o
bien cuando tiene un comportamiento frgil a traccin
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Las conclusiones sobresalientes de estas pruebas las podemos resumir enla siguiente forma:
Los materiales dctiles presentan los mismos valores en sus
caractersticas tanto en tensin como en compresin.
Los materiales frgiles no presentan punto de fluencia en ningn caso y el
esfuerzo de ruptura coincide con el esfuerzo mximo.
Los materiales frgiles presentan una resistencia mxima mucho mas
elevada en compresin que en tensin. Por ejemplo, en el caso de lafundicin gris, esta relacin es aproximadamente 4:1.
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Ensayo de dureza
La dureza implica, en general, una resistencia a la deformacin permanente.
Puede significar:
Resistencia a la penetracin (mecnica del ensayo de materiales)
Resistencia y tratamiento trmico (ingeniero de diseo)
Segn la forma del ensayo:
Dureza al rayado
Dureza a la penetracin
Dureza al rebote o dinmica
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Dureza por indentacin es la resistencia de un material a ser indentado
o penetrado.
Es el tipo usual de ensayo de dureza, en el cual se presiona,
directamente o por un sistema de palanca, un indentador cnico o
redondo sobre la superficie bajo una carga conocida substancialmente
esttica.
La dureza se expresa, para una carga y marcador especificados, por un
nmero inversamente proporcional a la profundidad de la indentacin o
proporcional a una carga media sobre el rea de huella.
Resistencia a la Indentacin
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Ensayo de dureza Rockwell
Ensayo de dureza Brinell
Ensayo de dureza Vickers
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Dureza Brinell
El ensayo consiste en comprimir sobre la superficie del metal, una bola de
acero de 10 mm de dimetro con una carga de 3000 kg.
- En los materiales blandos, se reduce la carga a 500 kg.
-En metales muy duros se emplea una bola de carburo de wolframio
La carga se aplica por un periodo de tiempo normalizado, generalmente de
30 seg, luego se mide la huella con un microscopio.
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F : carga aplicada en kg
D : dimetro del penetrador en mm
Di: dimetro de la impresin en mm
Dureza Brinell: (kg/mm2
)
Esquema del ensayo de dureza Brinell
Resistencia a la tensin = 500 BHN.
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Dureza Vickers
Se emplea como identador una pirmide de diamante de base cuadrada, las
caras opuestas de la pirmide forman un ngulo de 136 (corresponde a la
relacin ptima de dimetro de huella a dimetro de bola en el ensayo
Brinell)
Se define como la relacin de la carga al rea de la superficie de la huella.
Sus cargas van de 5 a 125 kilogramos (de cinco en cinco).
Se emplea Vickers para laminas tan delgadas como 0.006 pulgadas
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22 L
P1,854
L
/2)(senP2VickersDureza
P: carga aplicada en kg
L: media de la longitud de las dosdiagonales en mm
: ngulo formado por las caras opuestas
de la pirmide diamante = 136
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Dureza Rockwell
El ensayo utiliza la profundidad de la penetracin bajo carga constante,como medida de la dureza.
La maquina de ensayo mide en forma automtica la profundidad de
penetracin del indentador, y la convierte en un nmero de dureza
Rockwell (HR)
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El ensayo es aplicable a todo tipo de materiales metlicos:
a) Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar al
del ensayo Brinell.
b) Duros. Se utiliza como penetrador un cono de diamante de 120 de ngulo
de vrtice redondeado en la punta. Se usan cargas normalizadas de 60, 100
y 150 kilogramos
c) Pequeos espesores en materiales blandos o duros. Es el caso de flejes,
chapas delgadas o tambin sobre capas endurecidas, cementadas o
nitruradas. En este supuesto se usa la modalidad de pequeas cargas
especificadas en la norma, 3 kilogramos de precarga y 15, 30 o 45kilogramos de carga. Se conoce este tipo de ensayos como Rockwell
superficial.
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ESCALA CARGA (kg) PENETRADOR MATERIALES TIPICOS PROBADOS
A 60 Cono de diamante Materiales duros en extremo, carburosde wolframio, etc.
B 100 Bola de 1/16"
Materiales de dureza media, aceros al
carbono bajos y medios, latn, bronce,
etc.
C 150 Cono de diamanteAceros endurecidos, aleaciones
endurecidas y revenidas.
D 100 Cono de diamante Acero superficialmente cementado.
E 100 Bola de 1/8"Hierro fundido, aleaciones de aluminio y
magnesio.
F 60 Bola de 1/16" Bronce y cobre recocidos.
G 150 Bola de 1/16" Cobre al berilio, bronce fosforoso, etc.
H 60 Bola de 1/8" Placa de aluminio.
K 150 Bola de 1/8" Hierro fundido, aleaciones de aluminio.
L 60 Bola de 1/4"Plsticos y metales suaves, como el
plomo.
Ensayos Rockwell normalizados.
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Ensayo de impacto (Norma ASTM E-23)
Cuando un material se somete a un golpe repentino y violento, donde la
velocidad de deformacin es extremadamente rpida, se puede comportar en
una forma mucho ms frgil que la que se observa en el ensayo de tensin.
Se utiliza el ensayo de impacto para evaluar la fragilidad de un material.
Ensayo de Charpy: metales, aleaciones, cermicas
Ensayo de Izod: plsticos
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El ensayo de impacto (a) ensayo de Charpy e Izod
(b) dimensiones de muestras normales
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Durante el ensayo, un
pndulo pesado (45 kg)
que inicia su movimiento a
una altura h0, describe unarco, golpea y rompe la
probeta, y llega a una
altura final hfmenor.
Si se conocen las alturas
inicial y final del pndulo,
se puede calcular la
diferencia de la energa
potencial.
Esta diferencia es la
energa de impacto que
absorbi la muestra
cuando fall
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La probeta posee un entalle estndar para facilitar el inicio de la
fisura.
Las probetas que fallan en forma frgil se rompen en dos mitades, en
cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse.
Fotografas de probetas,
antes y despus del
ensayo
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Ensayo de Charpy: joule (J), lb pie
Ensayo de Izod: J/m, lb pie/pulg
1 lb pie = 1,356 J
Los valores obtenidos en este ensayo pueden diferir fuertemente si se
realiza a diferentes temperaturas
La capacidad de un material para resistir el impacto de un golpe se
llama tenacidad al impacto
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Propiedades que se obtienen en el ensayo de impacto:
Temperatura de transicin de dctil a frgil: es aquella a la cual un
material cambia de un comportamiento dctil a un comportamiento
frgil.
Un material sujeto a cargas de impacto durante las condiciones de
servicio deber tener una temperatura de transicin por debajo de la
temperatura de operacin determinada por el ambiente que rodea al
material.
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Ensayos de impacto para un polmero termoplstico de nylon
supertenaz
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No todos los materiales tienen una temperatura de transicin definida
La estructura cristalina FCC normalmente absorbe mayor energa, sin
mostrar temperatura de transicin
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Influencia del contenido de carbono sobre el comportamiento dctil-
frgil de un acero de baja aleacin:
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Relacin con el diagrama esfuerzo-deformacin:
La energa necesaria para romper un material durante un ensayo deimpacto, es decir, la tenacidad al impacto, no siempre se relaciona con la
tenacidad a la tensin (es decir, el rea contenida dentro del diagrama
esfuerzo-deformacin real)
En general, los metales que tienen alta resistencia y gran ductilidad,tienen buena tenacidad a la tensin, sin embargo, pueden presentar
comportamiento frgil cuando estn sujetos a velocidades de deformacin
alta, es decir, pueden mostrar pobre tenacidad al impacto, ya que la
velocidad de deformacin puede desplazar la transicin de dctil a frgil.
Los cermicos y muchos materiales compuestos tienen normalmente
tenacidad muy baja, aunque alta resistencia.
E d T id d
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Ensayo de Tenacidad
Liberty Ships:
2700 fabricados
400 fisurados
20 se partieron en dos Titanic
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Ejemplo:Se obtuvieron los siguientes datos de tensin-deformacin de un
acero o,2% C
Esfuerzo
(ksi)
Deformacin Esfuerzo
(ksi)
Deformacin
0
30
55
60
68
72
74
75
0
0,001
0,002
0,005
0,01
0,02
0,04
0,06
76
75
73
69
65
56
51
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,19
(fractura)
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a) Dibuje la curva tensin-deformacin
b) Determine la resistencia de cedencia con el criterio del 0,2% de
deformacin convencional
c) Determine la resistencia a la traccin del acero
d) El mdulo de elasticidad
e) Mdulo de resistencia
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Ejemplos
1. Se aplica una fuerza de 850 lb a un alambre de nquel de 0,15 pulg de
dimetro, que tiene una resistencia de cedencia de 45.000 psi y una
resistencia a la tensin de 55.000 psi. Determine:
a) Si el alambre se deformar plsticamente
b) Si el alambre tendr formacin de cuello
2. Una probeta de acero al carbono 1030 de 0,50 pulg. de dimetro se
ensaya hasta la fractura . El dimetro de la probeta en la zona de la
fractura fue de 0,343 pulg. Calcule el porcentaje de estriccin de la
muestra.
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3. Un cable de acero tiene 1,25 pulg de dimetro y 50 pies de longitud, y
con l se levanta una carga de 20 toneladas. Cul es la longitud del cable
durante el izamiento? El mdulo de elasticidad del acero es 30 x 106 psi.
4. Cuando se aplica una carga de 3.000 kg a una esfera de 10 mm de
dimetro en un ensayo Brinell de un acero, se produce una penetracin de
3,1 mm de dimetro. Estime la resistencia del acero a la tensin.
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5. Se efecto una serie de ensayos de impacto Charpy sobre cuatro aceros, con
distinto contenido de magnesio, cuyos resultados se muestran en tabla 1.
Grafique los datos y determine:
a) La temperatura de transicin (determinada como la media de las energas
absorbidas en las regiones dctil y frgil)
b) La temperatura de transicin (definida como la temperatura que
proporcionan 50 J de energa absorbida)
c) Grafique la temperatura de transicin en funcin del contenido de magnesio
y analice el efecto de este elemento sobre la tenacidad del acero. Culsera el contenido de magnesio mnimo posible en el acero si una pieza
fabricada con l debe utilizarse a 0 C?
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Tabla 1: Resultados de ensayo de Charpy
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