ensayos mecánicos
TRANSCRIPT
Ensayos mecánicos
GONZALO CHARLETTO - TECNOLOGO MECANICO -
FACULTAD DE INGENIERIA - UDELAR1
ENSAYOS MECANICOS
En los procesos de producción y en el diseño de nuevos
materiales y artículos, un factor importante es la
inspección debidamente organizada, así como también
contar con técnicas de ensayo apropiadas.
Objetivos:
•Aportar información rutinaria acera de la calidad de un
producto comercial o de control
•Recabar información nueva o mejor acerca de
materiales conocidos o desarrollar nuevos materiales
•Obtener medidas exactas de las propiedades
fundamentales o constantes físicas.2
Definición
Son solamente medidas, indicaciones o
manifestaciones de las propiedades de los
materiales bajo ciertas circunstancias de ensayo,
que aportan una idea sobre el comportamiento
del material.
Un ensayo debe ser significativo, confiable,
reproducible, de precisión conocida y económico,
por lo que contar con procedimientos
sistematizados es importante.3
Conceptos principales
Esfuerzo: s = P / A [s]= Kg/cm2
Deformación: e = d / L
ESFUERZO Y DEFORMACIÓN
4
Propiedades mecánicas
Son las propiedades de un material que revelan su
comportamiento elástico e inelástico cuando se
aplica una fuerza, indicando su adaptabilidad para
las aplicaciones mecánicas.
Las propiedades mecánicas pueden definirse como
aquellas que tienen que ver con el comportamiento
del material bajo fuerzas aplicadas.
Los ensayos mecánicos se ocupan de determinar
las medidas de dichas propiedades.
5
Propiedades mecánicas
fundamentales Resistencia:se mide por el esfuerzo según el cual se
desarrolla alguna condición limitativa específica
(terminación de la condición elástica y ruptura).
Rigidez: capacidad de un metal para resistir la
deflexión plástica. Para cuerpos de forma idéntica, la
rigidez es proporcional al modulo de elasticidad.
Elasticidad: se refiere a la capacidad de un material
para deformarse no permanentemente al retirar el
esfuerzo.
6
Propiedades mecánicas
fundamentales
Plasticidad:indica la capacidad para deformarse en
rango elástico o plástico sin que ocurra ruptura.
Capacidad energética:es la capacidad de un
material para absorber energía.
Tenacidad es la capacidad de absorber energía
dentro del período plástico.
Resiliencia es la capacidad de absorber energía
dentro del período elástico.
7
Ensayos de Tracción
8
Ensayos de Tracción Un cuerpo se encuentra sometido a tracción simple
cuando sobre sus secciones transversales se le aplican cargas normales uniformemente repartidas y de modo de tender a producir su alargamiento.
El ensayo de tracción es el que mejor determina las propiedades mecánicas de los metales, o sea aquella que definen sus características de resistencia y deformabilidad. Permite obtener el límite de elasticidad, la carga máxima y la consiguiente resistencia estática, en base a cuyos valores se fijan los de las tensiones admisibles o de proyecto (sadm.)
9
Ensayos de TracciónSe requiere una prensa
hidráulica capaz de:
a) Alcanzar la fuerza
suficiente para
producir la fractura de
la probeta.
b) Controlar la velocidad
de aumento de
fuerzas.
c) Registrar las fuerzas,
F, que se aplican y los
alargamientos, DL,
que se observan en la
probeta. 10
Ensayos de Tracción Las probetas para los ensayos de tracción pueden
ser: industriales o calibradas, con extremos
ensanchados para asegurar la rotura dentro del largo
calibrado de menor sección; en la cual se marcan los
denominados “Puntos fijos de
referencia” a una distancia inicial
preestablecida (lo), que permitirá
después de la fractura, juntando
los trozos, determinar la longitud
final entre ellos (L).
11
Ensayos de Tracción Cuando la probeta se encuentra bajo un esfuerzo
estático de tracción simple a medida que aumenta la
carga, se estudia esta en relación con las
deformaciones que produce. Estos gráficos,
permiten deducir sus puntos y zonas características
que revisten
gran importancia.
12
Ensayos de TracciónUn caso típico de un acero dúctil
A
14
Ensayos de Tracción
1) Periodo elástico: Dentro de este periodo y
proporcionalmente hasta el punto A, los aceros
presentan la particularidad de que la barra retoma su
longitud inicial al cesar la aplicación de la carga.
2) Limite elástico o esf. de fluencia: es el esfuerzo
mínimo al que ocurre la primera deformación
permanente.
3) Plasticidad: periodo de deformación no elástico
sin ruptura.
15
Ensayos de Tracción
4) Esfuerzo último: las cargas vuelven a
incrementarse y los alargamientos se hacen más
notables, se ingresa en el período de las grandes
deformaciones. Es el esfuerzo máximo desarrollado
por el material, basado en el área transversal original.
5) Zona de estricción: En el período de estricción, la
acritud, si bien subsiste, no puede compensar la
rápida disminución de algunas secciones
transversales ( formación de cuello ), produciéndose
un descenso de la carga conforme el área decrece
hasta la fractura. 16
17
Ensayos de Tracción
Acero dúctil Acero frágil
18
Ensayos de
Tracción
SAE 1015 SAE 1045
19
Ensayo de
compresión
20
Ensayo de compresión
El ensayo de compresión es poco frecuente en los
metales y consiste en aplicar a la probeta, en la
dirección de su eje longitudinal, una carga estática
que tiende a provocar un acortamiento de la misma y
cuyo valor se irá incrementando hasta la rotura o
suspensión del ensayo.
El diagrama obtenido en un ensayo de compresión
presenta para los aceros, al igual que el de tracción
un periodo elástico y otro plástico
21
Ensayo de compresión
SAE 1015 SAE 1045SAE 1015SAE 1045
22
Ensayo de compresión
De los gráficos de metales sometidos a compresión, (obtenidas sobre probetas cilíndricas de una altura doble con respecto al diámetro), se verifica que los materiales frágiles (fundición) rompen prácticamente sin deformarse, y los dúctiles, en estos materiales el ensayo carece de importancia, ya que se deforman continuamente hasta la suspensión de la aplicación de la carga.
23
Metalografía
24
Metalografía
Estudia la estructura de los metales y sus
aleaciones, estos tienen un enorme campo de
aplicación en las construcciones mecánicas.
Consiste en un conjunto de técnicas que apuntan a
revelar, analizar y documentar la microestructura
de dichos materiales.
25
Metalografía Permite alcanzar los siguientes objetivos:
- Determinar el tamaño del grano.
- El tamaño, forma y distribución de varias
fases e inclusiones.
- Revelará el tratamiento térmico.
- Podrá predecir su comportamiento esperado.
- Control de procesos de fabricación.
- Determinar mecanismos de corrosión.
- Investigación.26
Metalografía Los ensayos metalografícos se realizan sobre
muestras o probetas de los materiales que han de ser sometidos a estudio.
Las técnicas que se utilizan son: 1) selección de la muestra2) mecanizado3) montaje4) pulidos grueso5) pulido fino6) ataque con reactivo químico7) observación mediante microscopio
metalúrgico27
Metalografía 1) Si el examen se ejecuta para analizar una
fractura, la que se sospecha provocada por
irregularidades en el material, las muestras deberán
ser por lo menos dos, una de la propia fractura y otra
de una zona intacta de la misma pieza
Con el objeto de observar y comparar las
modificaciones que ha sufrido la estructura y de las
que se podrán deducir y contar con una mayor
cantidad de datos
Es necesario tener en cuenta además, los
tratamientos recibidos por la pieza en su fabricación.28
Metalografía
La elección de la muestra que se va a
estudiar al microscopio es una operación
delicada y muy importante. Si lo que se
trata de estudiar es un fallo del material, la
muestra debe tomarse de una zona lo más
próxima posible al punto en que se ha
producido el fallo, y compararla con otra
obtenida en una sección normal
29
Metalografía
2) La muestra debe extraerse de forma que sea
representativa, tratando en todo momento de evitar
calentamientos de la probeta.
La extracción puede hacerse mediante sierra o disco
abrasivo.
30
Metalografía
3) El montaje consiste en
embutir la probeta en algún
producto como la bakelita
etc., de forma que el
conjunto sea manejable
manualmente o adecuado
para insertarlos en los
alojamientos de los
dispositivos de preparación.31
Metalografía
4) Mediante el desbaste se
consigue poner al
descubierto la superficie
del material, eliminando
todo lo que pudiera
obstaculizar su examen, a
la vez que se obtiene una
superficie plana con
pequeña rugosidad.
32
Metalografía5) El pulido de una probeta metalográfica tiene por
objeto eliminar las rayas producidas en la operación de
desbaste y obtener una superficie especular.
Se pueden emplear diversos tipos de abrasivos: polvo
de diamante (10, 1, 0,5 y 0,25 micras), alúmina (5, 1,
0,5, 0,1 y 0,05 micras), óxido de magnesio, etc.
33
Metalografía
El pulido electrolítico se realiza mediante un proceso
de disolución anódica del metal. Se tienen que fijar las
condiciones de tensión y densidad de corriente para
conseguir el efecto buscado.
34
Metalografía
6) Los reactivos químicos son muy variados, pero en
principio se busca la revelación, por coloración o
por corrosión, de los distintos componentes de una
estructura metalografica para poder diferenciarlos
con facilidad.
Por lo general, están constituidos por ácidos, etc.
diluidos en alcoholes, agua, etc. Y su elección se
hará de acuerdo con la naturaleza química la
estructura a destacar en la muestra. 35
Metalografía7) Microscopio óptico o metalográfíco
36
Metalografía
SAE 1015 SAE 1045
37
Metalografía
Con la observación de las estructuras micrográficas
y por comparación con microfotográfias, es posible
deducir: - el contenido aparente de carbono,
-finura y variedad de los componentes,
-clasificación de aceros,
-reconocer las inclusiones por defectos de
fabricación (óxidos, silicatos), etc.
38
39
Martensita revenida
Acero 0-1 nitrurado
Perlita + Ferrita
40
41
Dureza
42
Dureza
Definición :"La mayor o menor resistencia que un
cuerpo opone a ser rayado o penetrado por otro" o
"la mayor o menor dureza de un cuerpo respecto a
otro tomado como elemento de comparación".
La dureza no es una propiedad fundamental de un
material , sino esta relacionada con las propiedades
elásticas y plásticas.
El valor de dureza obtenido sirve de comparación
entre materiales o tratamientos y pueden utilizarse
para estimar otras propiedades mecánicas43
Dureza
Las pruebas de dureza se pueden dividir en:
1)dureza elástica
2)resistencia al rayado
3)resistencia a la indentación
Características:
1) baratos
2) rápidos
3) requieren poca experiencia
4) no son destructivos
44
Dureza 1) Dureza elástica: Se mide
con un pequeño martillo en
forma de diamante que se
deja caer desde una altura
inicial.
• El instrumento mide
directamente la diferencia
de energía potencial y lo
traduce en términos de
dureza.
• Se aplica a materiales
metálicos, polímeros, etc. 45
Dureza
1. Talco
2. Yeso
3. Caliza
4. Espato Fluor
5. Apatiíta
6. Feldespato
7. Cuarzo
8. Topacio
9. Zafiro o corindón
10. Diamante
2) RESISTENCIA AL RAYADO
46
Dureza
3) Resistencia a la indentación: esta prueba se
realiza imprimiendo en la muestra un marcador o
indentador de geometría determinada bajo una carga
conocida.
La dureza se expresa por un Nº inversamente
proporcional a la profundidad de la indentación para
una carga y marcador especificados.
Métodos: - ensayo Brinell
- ensayo Rockwell
- ensayo Vickers47
Ensayo Brinell Consiste en comprimir sobre la
superficie del material a ensayaruna bolilla de acero muy durodurante un cierto tiempo (t)produciendo una impresión conforma a casquete esférico.
• El valor de la dureza Brinell resulta de dividir el valor de la carga aplicada sobre la superficie del casquete esférico:
48
Ensayo Brinell1) De acuerdo al material se elige el tamaño de bola y la carga
2) Se aplica la carga
3) Se miden tres diámetros de la impronta
4) Con el promedio de la impronta y el tamaño de bola, se determina el
valor de la dureza ejemplo: 221 HB 2,5/187,5/15
Diámetro
de la
bolilla D
(mm)
Materiales y Constantes de ensayos
Aceros
Fundiciones
C= 30
Aleaciones de
Cu y Al
C=10
Cobre
Aluminio
C=5
Plomo
Estaño
C=2.5
10
5
2.5
1.25
0.625
Cargas en Kg.
3000
750
187.5
46.9
11.7
1000
250
62.5
15.6
3.91
500
125
31.2
7.81
1.953
250
62.5
15.6
3.91
0.97749
Ensayo Rockwell Se calcula la dureza en
base a la profundidad de
penetración y la carga
total no se aplica en forma
continua. Hay una carga
inicial y otra adicional
(varia según las
condiciones de ensayo).
50
Ensayo Rockwell1) Se elige la escala en función del tipo de material a
ensayar y con esto queda determinado el tipo de penetrador (bola de acero o cono de diamante) y la carga a aplicar.
2) Se aplicar una carga inicial de 10 kg, para asegurar el contacto entre el penetrador y la pieza.
3) Se aplica la carga enun tiempo determinado y se deja aplicada otro lapso de tiempo.4)Se retira la carga.5) Se lee directamente elvalor de dureza.
HRC, HRB.....51
Ensayo Rockwell
ESCALA CARGA (kg) PENETRADOR MATERIALES TIPICOS PROBADOS
A 60Cono de
diamante
Materiales duros en extremo, carburos de wolframio,
etc.
B 100 Bola de 1/16"Materiales de dureza media, aceros al carbono bajos y
medios, latón, bronce, etc.
C 150 Cono de
diamante
Aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y
revenidas.
D 100Cono de
diamanteAcero 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" Plásticos y metales suaves, como el plomo.
52
Ensayo Vickers
• Es semejante a la de Brinell
• Las diferencias radican en que en
este caso solo hay un penetrador
de diamante con forma piramidal
de base cuadrada, con un ángulo
al vértice de 136 º .
Las cargas varían de 1 a 120 kgf y
las más comunes son 30 y 50 kgf
(Hv30 y HV50)
53
Rockwell Brinell Vickers
54
Aplicaciones
• Brinell se utiliza para materiales no homogeneos
como fundiciones.
• Para materiales muy duros con mas de 500 HB es
aconsejable usar el método Rockwell pues las
bolas empleadas en el método Brinell sufren
deformaciones mayores a las admisibles.
• Rockwell se utiliza en aceros con tratamientos
térmicos (templados y/o revenidos).
• Vickers se aplica en materiales que presentan
capas superficiales endurecidas muy finas (aceros
cementados o nitrurados).55
56
57
Prueba de impacto
El ensayo de tracción estático nos da valores
correctos de la ductilidad de un metal, pero no es
preciso para determinar su grado de tenacidad o
fragilidad en condiciones variables de trabajo.
Los ensayos de impacto determinan la fragilidad o
capacidad de un material de absorber cargas
instantánea.
Resumiendo diremos que el objeto del ensayo de
impacto es el de comprobar si una maquina o
estructura fallará por fragilidad bajo las condiciones
que le impone su empleo. 58
Prueba de impactoMÉTODO DE ENSAYO.
Los ensayos dinámicos de impacto se realizan generalmente en máquinas denominadas péndulos o martillo pendulares.
Método Izod y el método Charpy.
Se utilizar la energía del golpeo para causar la ruptura de la probeta.
59
Método CharpyLa probeta se coloca en los soportes
como una viga simplemente
apoyada de forma que la maza la
golpe en la cara opuesta a la que
tiene la entalla.
60
Método Charpy
La resiliencia al choque resulta, según este método,
el trabajo gastado por unidad de sección transversal
para romper al material de un solo golpe:
Energía absorbida/sección de la probeta(Kgf/cm² o
Joule/cm²)
61
Método IzodLa probeta esta soportada
en forma de mensula y
con la entalla ubicada a
nivel del
empotramiento de
forma tal que la maza la
golpee del lado de esta
a 22 mm por encima
62
Ensayo de plegado Este ensayo es solicitado por las especificaciones en
la recepción de aceros en barras y perfiles, para la
comprobación de la tenacidad de los mismos , para
detectar un contenido demasiado alto de carbono o
fósforo , después de haber sido sometido al
tratamiento térmico de recocido.
El material se coloca entre dos cilindros y se la
aplica carga lentamente hasta tener el ángulo de
plegado especificado.
63
Ensayo de plegadoLa luz entre los bordes de los apoyos se toma
aproximadamente igual al diámetro del elemento
transmisor del esfuerzo, más tres veces el espesor
del material.
L = d + 3 D
64
Otros ensayos Corte Flexión Análisis Químico
65