Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
UNIDAD 6
Ensayos Mecánicos
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Efecto de una fuerza sobre un sólido Esfuerzo.
La magnitud del efecto es directamente proporcionala F e inversamente proporcional a A
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Los materiales poseen una serie de características, entre las cualesdestacan las propiedades mecánicas, tales como:
Ductilidad
Maleabilidad
Resistencia
Dureza
Tenacidad
Existen ensayos que permiten determinar el comportamiento de unmaterial ante la aplicación de una carga. Los resultados de estas pruebasconstituyen las propiedades mecánicas del material. Es conveniente,entonces, aclarar algo el significado de estos términos.
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Ductilidad: capacidad que tiene un material para deformarse sin rompersecuando está sometido a esfuerzos de tracción; por ejemplo en el estirado deun alambre.
Maleabilidad: capacidad que presenta el material para soportardeformación sin rotura sometido a compresión, caso de forja o laminado.
Elasticidad: capacidad de un material que ha sido deformado para regresar asu estado y tamaño original, cuando cesa la acción que ha producido ladeformación. Cuando el material se deforma permanentemente, de talmanera que no pueda regresar a su estado original, se dice que ha pasadosu límite elástico.
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Dureza: Mide la resistencia a la penetración sobre la superficie de un material,efectuada por otro material.
Resistencia: se definen varias; por ejemplo, resistencia a la tracción es la carga(Fuerza) máxima por unidad de área que puede soportar el material al serestirado. Los valores de resistencia son utilizados en todo lo que se refiere adiseño.
Fragilidad: Lo opuesto a ductilidad. Un material frágil no tiene resistencia acargas de impacto y se fractura aún en cargas estática sin previo aviso. Tanto lafragilidad como la ductilidad de un material son mediadas arbitrarias, peropuede decirse que un material con un alargamiento mayor de 5% es dúctil ymenor de 5% es frágil. Se pueden clasificar los materiales en frágiles ydúctiles, habiendo dentro de ellos diferentes grados.
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Tenacidad: Es la energía absorbida por el material durante el proceso dedeformación y ruptura; está directamente relacionada con la resistencia yductilidad. Por ejemplo, el vidrio, el hierro fundido y el acero endurecidoson poco tenaces, porque sus ductilidades son muy bajas y en algunoscasos casi cero, aunque tienen una buena resistencia (bastantes duros). Unmetal como el cobre es bastante tenaz, pues tiene una buena resistencia ybuena ductilidad. Mientras que una "goma de mascar" tiene menostenacidad, ya que aunque la ductilidad es enorme su resistencia es muybaja.
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Plasticidad: Es la habilidad de un material para adoptar nuevas formasbajo la presión y retener esa nueva forma. El rango de adaptación puedevariar considerablemente de acuerdo con el material y sus condiciones.
Esfuerzo: Fuerza aplicada a un área conocida.
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Ensayos Mecánicos.
Tensión (tension test)
Dureza (hardness test)
Torsión (torsion test)
Fractura (fracture mechanics)
Fatiga (fatigue)
Creep (Creep and stress rupture)
Impacto y fractura frágil (brittlefracture and impact testing)
Composición
Microestructura
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Ensayo de tensión
El Ensayo de tracción serealiza bajo la normaASTM E-8 ASTM A 370,o bien la norma chilenaNCH 200, entre otras.
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Se coloca una probetaestándar (0,505 pulg dediámetro y longitudcalibrada de 2 pulg) enuna máquina de ensayoconsistente de dosmordazas, una fija y otramóvil. Se procede a medirla carga mientras se aplicael desplazamiento de lamordaza móvil.
Equipamiento para el ensayo de tensión
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Esquema de probetas que se utilizan en el ensayo de tracción
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Probetas normalizadas.
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Esfuerzo y deformación ingenieriles
Los resultados de un ensayo se aplican a todos los tamaños y seccionestransversales de un material, siempre que la fuerza se convierta en esfuerzo yla distancia entre las marcas de calibración se conviertan en deformación
Esfuerzo ingenieril
Deformación ingenieril
A0: área sección transversaloriginal
Io: distancia original entremarcas de calibración
I: cambio de longituddespués de haber aplicado elesfuerzo
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Curva esfuerzo deformación para una aleación de aluminio
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Curvas tensión deformación de algunos metales y aleaciones
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Propiedades obtenidas en el ensayo de tensión
• Esfuerzo de cedencia (esfuerzo de fluencia): esfuerzo que divide loscomportamientos elásticos y plásticos del material. El valor crítico delesfuerzo necesario para iniciar la deformación plástica se llama límiteelástico del material. En los materiales metálicos es el esfuerzo necesariopara iniciar el movimiento de las dislocaciones.
El límite elástico puede definirse como el esfuerzo mínimo al que ocurre laprimera deformación permanente.
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• Resistencia a la tensión (resistencia a la tracción): esfuerzo obtenido con lamáxima fuerza aplicada
Es el esfuerzo máximo, basado en la sección transversal original, que puederesistir un material.
Es el esfuerzo en el cual comienza la estricción en los materiales dúctiles
Deformación localizada duranteel ensayo de tensión de unmaterial dúctil, produciendo unaregión de cuello
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• Esfuerzo de ruptura: es el esfuerzo basado en la sección original, que producela fractura del material
La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la fuerzadeje de subir. Al adelgazarse la probeta, la fuerza queda aplicada en menor área,provocando la ruptura.
Esquema de la secuencia deruptura de las probetas en unensayo de tracción
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• Módulo de elasticidad o módulo de Young (E): es el valor de lapendiente de la parte recta del diagrama esfuerzo v/s deformaciónunitaria
Ley de Hooke
Es una medida de la rigidezde un material
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Tiene una estrecha relación con la energía de enlace atómico, por lo tanto esmayor para materiales de punto de fusión alto.
Un alto módulo de elasticidad indica que se necesitan grandes fuerzas paraseparar los átomos y producir la deformación elástica del metal.
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Resiliencia
Es la capacidad de un material para absorber energía cuando es deformadoelásticamente y devolverla cuando se elimina la carga
Módulo de resiliencia: Corresponde a la energía de deformación por unidad devolumen requerida para deformar el material hasta el límite elástico
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• Tenacidad a la tensión: capacidad de absorber energía en el campo plástico,antes de fracturarse (trabajo de fractura).
Se determina como el área bajo la curva esfuerzo- deformación ingenieril. Estasuperficie es una indicación del trabajo total, por unidad de volumen que puederealizarse sobre el material sin que se produzca rotura
Comparación de las curvastensión-deformación dedos aceros, con altatenacidad y baja tenacidad
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• Ductilidad: mide la cantidad de deformación que puede resistir un materialsin romperse.
El % de elongación describe la deformación plástica permanente antes de lafalla.
La reducción porcentual del área describe la cantidad de adelgazamiento quesufre la muestra durante el ensayo
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Comportamiento dúctil y frágil
El comportamiento de los materiales bajo carga se puede clasificar comodúctil o frágil según que el material muestre o no capacidad para sufrirdeformación plástica.
a) acero dúctil b) un acero frágil.
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Propiedades típicas promedio de algunos materiales metálicos
Material
F (Mpa)
M (Mpa)
E (Gpa)
Acero inoxidables
280 – 700
400 – 1000
190 – 210
Acero altaresistencia
340 - 1000
550 – 1200
190 – 210
Bronce comercial
82 – 690
200 – 830
36 – 44
Latón laminado
70 – 550
200 – 620
36 – 41
Aluminio 2014-T6
410
480
28
Cobre
55 - 760
230 - 830
40 – 47
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El efecto de la temperatura (a) sobre la curva esfuerzo-deformación (b) sobrelas propiedades de tensión de una aleación de aluminio
Variables que afectan a la curva de tensión: Temperatura
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Curva esfuerzo deformación acero de baja aleación
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Ensayo de Compresión
Un ensayo de compresión se realiza de forma similar a un ensayo de tracción,excepto que la fuerza es compresiva y la probeta se contrae a lo largo de ladirección de la fuerza.
Esfuerzo ingenieril
Deformación ingenieril
A0: área sección transversal original
Io: distancia original entre marcasde calibración
I: cambio de longitud después dehaber aplicado el esfuerzo
Por convención, una fuerza de compresión se considera negativa y, portanto, produce un esfuerzo negativo.
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Los ensayos de compresión se utilizan cuando se desea conocer elcomportamiento del material bajo grandes deformaciones permanentes(deformación plástica), tal como ocurren en los procesos de conformación, obien cuando tiene un comportamiento frágil a tracción
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Las conclusiones sobresalientes de estas pruebas las podemos resumir enla siguiente forma:
• Los materiales dúctiles presentan los mismos valores en suscaracterísticas tanto en tensión como en compresión.
• Los materiales frágiles no presentan punto de fluencia en ningún caso y elesfuerzo de ruptura coincide con el esfuerzo máximo.
• Los materiales frágiles presentan una resistencia máxima mucho maselevada en compresión que en tensión. Por ejemplo, en el caso de lafundición gris, esta relación es aproximadamente 4:1.
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Ensayo de dureza
La dureza implica, en general, una resistencia a la deformación permanente.
Puede significar:
Resistencia a la penetración (mecánica del ensayo de materiales)
Resistencia y tratamiento térmico (ingeniero de diseño)
Según la forma del ensayo:
Dureza al rayado
Dureza a la penetración
Dureza al rebote o dinámica
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Dureza por indentación es la resistencia de un material a ser indentadoo penetrado.
Es el tipo usual de ensayo de dureza, en el cual se presiona,directamente o por un sistema de palanca, un indentador cónico oredondo sobre la superficie bajo una carga conocida substancialmenteestática.
La dureza se expresa, para una carga y marcador especificados, por unnúmero inversamente proporcional a la profundidad de la indentación oproporcional a una carga media sobre el área de huella.
Resistencia a la Indentación
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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 deacero de 10 mm de diámetro 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 de30 seg, luego se mide la huella con un microscopio.
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F : carga aplicada en kg
D : diámetro del penetrador en mm
Di : diámetro de la impresión en mm
Dureza Brinell:
(kg/mm2)
Esquema del ensayo de dureza Brinell
Resistencia a la tensión = 500 BHN.
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Dureza Vickers
Se emplea como identador una pirámide de diamante de base cuadrada, lascaras opuestas de la pirámide forman un ángulo de 136º (corresponde a larelación óptima de diámetro de huella a diámetro de bola en el ensayoBrinell)
Se define como la relación de la carga al área 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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P: carga aplicada en kg
L: media de la longitud de las dosdiagonales en mm
: ángulo formado por las caras opuestasde la pirámide diamante = 136º
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Dureza Rockwell
El ensayo utiliza la profundidad de la penetración bajo carga constante,como medida de la dureza.
La maquina de ensayo mide en forma automática la profundidad depenetración del indentador, y la convierte en un número de durezaRockwell (HR)
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El ensayo es aplicable a todo tipo de materiales metálicos:
a)Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar aldel ensayo Brinell.
b)Duros. Se utiliza como penetrador un cono de diamante de 120° de ángulode vértice redondeado en la punta. Se usan cargas normalizadas de 60, 100y 150 kilogramos
c)Pequeños espesores en materiales blandos o duros. Es el caso de flejes,chapas delgadas o también sobre capas endurecidas, cementadas onitruradas. En este supuesto se usa la modalidad de pequeñas cargasespecificadas en la norma, 3 kilogramos de precarga y 15, 30 o 45kilogramos de carga. Se conoce este tipo de ensayos como Rockwellsuperficial.
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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 alcarbono bajos y medios, latón, bronce,etc.
C
150
Cono de diamante
Aceros endurecidos, aleacionesendurecidas y revenidas.
D
100
Cono de diamante
Acero superficialmente cementado.
E
100
Bola de 1/8"
Hierro fundido, aleaciones de aluminio ymagnesio.
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 elplomo.
Ensayos Rockwell normalizados.
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(Norma ASTM E-23)Ensayo de impacto (Norma ASTM E-23)
Cuando un material se somete a un golpe repentino y violento, donde lavelocidad de deformación es extremadamente rápida, se puede comportar enuna forma mucho más frágil que la que se observa en el ensayo de tensión.
Se utiliza el ensayo de impacto para evaluar la fragilidad de un material.
• Ensayo de Charpy: metales, aleaciones, cerámicas
• Ensayo de Izod: plásticos
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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, unpéndulo pesado (45 kg)que inicia su movimiento auna altura h0, describe unarco, golpea y rompe laprobeta, y llega a unaaltura final hf menor.
Si se conocen las alturasinicial y final del péndulo,se puede calcular ladiferencia de la energíapotencial.
Esta diferencia es laenergía de impacto queabsorbió la muestracuando falló
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• La probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de lafisura.
• Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, encambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse.
Fotografías de probetas,antes y después delensayo
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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 serealiza a diferentes temperaturas
La capacidad de un material para resistir el impacto de un golpe sellama tenacidad al impacto
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Propiedades que se obtienen en el ensayo de impacto:
Temperatura de transición de dúctil a frágil: es aquella a la cual unmaterial cambia de un comportamiento dúctil a un comportamientofrágil.
Un material sujeto a cargas de impacto durante las condiciones deservicio deberá tener una temperatura de transición por debajo de latemperatura de operación determinada por el ambiente que rodea almaterial.
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Ensayos de impacto para un polímero termoplástico de nylonsupertenaz
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No todos los materiales tienen una temperatura de transición definida
La estructura cristalina FCC normalmente absorbe mayor energía, sinmostrar temperatura de transición
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Influencia del contenido de carbono sobre el comportamiento dúctil-frágil de un acero de baja aleación:
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Relación con el diagrama esfuerzo-deformación:
La energía necesaria para romper un material durante un ensayo deimpacto, es decir, la tenacidad al impacto, no siempre se relaciona con latenacidad a la tensión (es decir, el área contenida dentro del diagramaesfuerzo-deformación real)
En general, los metales que tienen alta resistencia y gran ductilidad,tienen buena tenacidad a la tensión, sin embargo, pueden presentarcomportamiento frágil cuando están sujetos a velocidades de deformaciónalta, es decir, pueden mostrar pobre tenacidad al impacto, ya que lavelocidad de deformación puede desplazar la transición de dúctil a frágil.
Los cerámicos y muchos materiales compuestos tienen normalmentetenacidad muy baja, aunque alta resistencia.
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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 tensión-deformación de unacero o,2% C
Esfuerzo(ksi)
Deformación
Esfuerzo
(ksi)
Deformación
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 tensión-deformación
b)Determine la resistencia de cedencia con el criterio del 0,2% dedeformación convencional
c)Determine la resistencia a la tracción del acero
d)El módulo de elasticidad
e)Módulo de resistencia
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Ejemplos
1.Se aplica una fuerza de 850 lb a un alambre de níquel de 0,15 pulg dediámetro, que tiene una resistencia de cedencia de 45.000 psi y unaresistencia a la tensión de 55.000 psi. Determine:
a)Si el alambre se deformará plásticamente
b)Si el alambre tendrá formación de cuello
2. Una probeta de acero al carbono 1030 de 0,50 pulg. de diámetro seensaya hasta la fractura . El diámetro de la probeta en la zona de lafractura fue de 0,343 pulg. Calcule el porcentaje de estricción de lamuestra.
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3. Un cable de acero tiene 1,25 pulg de diámetro y 50 pies de longitud, ycon él se levanta una carga de 20 toneladas. ¿Cuál es la longitud del cabledurante el izamiento? El módulo 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 dediámetro en un ensayo Brinell de un acero, se produce una penetración de3,1 mm de diámetro. Estime la resistencia del acero a la tensión.
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5. Se efectúo una serie de ensayos de impacto Charpy sobre cuatro aceros, condistinto contenido de magnesio, cuyos resultados se muestran en tabla 1.Grafique los datos y determine:
a)La temperatura de transición (determinada como la media de las energíasabsorbidas en las regiones dúctil y frágil)
b)La temperatura de transición (definida como la temperatura queproporcionan 50 J de energía absorbida)
c)Grafique la temperatura de transición en función del contenido de magnesioy analice el efecto de este elemento sobre la tenacidad del acero. ¿Cuálsería el contenido de magnesio mínimo posible en el acero si una piezafabricada con él debe utilizarse a 0 ºC?
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Tabla 1: Resultados de ensayo de Charpy