Ensayos - Mecanica Solidos

INFORME LABORATORIO - MECANICA DE SOLIDOS Temas: Ensayo de Tracción Ensayo de Dureza Ensayo de Impacto

Autores: Fecha:

Rodrigo Millan Edison Oliva 01 Diciembre de 2009

INTRODUCCION En este laboratorio se abordarán tres procedimientos fundamentales para el análisis del comportamiento de materiales frente a situaciones extremas: ensayo de tracción, ensayo de dureza y ensayo de impacto. En primera instancia trataremos el ensayo de tracción que consiste elementalmente en someter a una probeta a un esfuerzo axial de tracción creciente, hasta producir su rotura. Esto requiere la utilización de una maquina de ensayos, la cual mide la tensión aplicada a la probeta. El ensayo de tracción es la forma básica de obtener información sobre el comportamiento mecánico de los materiales. Luego fijaremos nuestra atención en el ensayo de dureza que es uno de los más empleados en la selección y control de calidad de materiales. Es un ensayo simple, de alto rendimiento ya que no destruye la muestra y particularmente útil para evaluar propiedades de los diferentes microcomponentes estructurales del material. Y finalmente daremos una visión mas bien general del ensayo de Charpy; ensayo que se utiliza para conocer el comportamiento que tienen los materiales al impacto y consiste en dejar caer un pesado péndulo el cual a su paso golpea una probeta ubicada en la base de la máquina.

Son vanas y están plagadas de errores las ciencias que no han nacido del experimento, madre de toda certidumbre. (Leonardo Da Vinci)

OBJETIVOS ü Conocer como se fijan las condiciones de ensayo, como se realiza el ensayo y que información se puede extraer a partir de los datos registrados. ü Determinar aspectos fundamentales de la resistencia y estiramiento de materiales, que pueden servir para el control de calidad, las especificaciones de los materiales y el cálculo de piezas sometidas a esfuerzos. ü Conocer el procedimiento adecuado para la realización de un ensayo de dureza que arroje resultados validos. ü Identificar los comportamientos frágil y dúctil en la fractura de los metales, mediante observación visual.

MARCO TEORICO Ensayo de Tracción El ensayo de tracción de un material, que en este caso se trata del acero, consiste en someter una probeta, maquinada o de sección completa, a un esfuerzo de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Si graficamos este procedimiento se obtiene una curva de Fuerza-Deformación.

Fig.1 Maquina de ensayo de tracción La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad seleccionable. La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una señal que representa la carga aplicada, las máquinas poseen un plotter que grafica en un eje el desplazamiento y en el otro eje la carga leída.

Fig.2 Curva Fuerza-Deformación de un acero.

Las curvas tienen una primera parte lineal llamada zona elástica, en donde la probeta se comporta como un resorte: si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa a su longitud inicial.

Se tiene entonces que en la zona elástica se cumple: F = K (L - L0) F: Fuerza K: Constante de Fuerza L: Longitud bajo la carga L0: Longitud inicial Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, desde aquí el material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedaría más larga que al principio. Deja de ser válida nuestra fórmula F = K (L - L0) y se define que ha comenzado la zona plástica del ensayo de tracción. El valor límite entre la zona elástica y la zona plástica es el punto de fluencia y la fuerza que lo produjo la designamos como: F = F fluencia Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un máximo en F = Fmáx. Entre F = Ffluencia y F = Fmáx la probeta se alarga en forma permanente y repartida, a lo largo de toda su longitud. En F = Fmáx la probeta muestra su punto débil, concentrando la deformación en una zona en la cual se forma un cuello. La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la carga deje de subir. Al adelgazarse la probeta la carga queda aplicada en menor área, provocando la ruptura.

Fig.3 Estados de la probeta durante ensayo de Tracción. Muestra la forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga máxima y luego de la ruptura.

Elongación

Fig. 4 Muestra una probeta al inicio del ensayo indicando las medidas iniciales necesarias.

Analizando las probetas después de rotas, es posible medir dos parámetros: El alargamiento final Lf (Figura 5) y el diámetro final Df , que nos dará el área final Af .

Fig. 5 Muestra una probeta al final del ensayo.

Estos parámetros se expresan como porcentaje de reducción de área %RA y porcentaje de alargamiento entre marcas %D L:

Ambos parámetros son las medidas normalizadas que definen la ductilidad del material, que es la capacidad para fluir, es decir, la capacidad para alcanzar grandes deformaciones sin romperse. La fragilidad se define como lo opuesto a la ductilidad. Un material poco dúctil es frágil.

Ensayo de Dureza Un ensayo de dureza es un medio para determinar la resistencia a la penetración y es ocasionalmente empleado para obtener una rápida aproximación del esfuerzo de ruptura. Los métodos existentes para la medición de la dureza se distinguen básicamente por la forma de la herramienta empleada (penetrador), por las condiciones de aplicación de la carga y por la propia forma de calcular (definir) la dureza. La elección del método para determinar la dureza depende de factores tales como tipo, dimensiones de la muestra y espesor de la misma. Ensayo de dureza Brinell Este ensayo consiste en oprimir una bola de acero endurecido contra una probeta. De acuerdo con las especificaciones de la ASTM (ASTM E 10), las estipulaciones de las cuales se siguen aquí, se acostumbra usar una bola de 10 mm y una carga de 3000 Kg, para metales duros, 1500Kg para metales de dureza intermedia y 500 Kg para materiales suaves. El cociente de la carga aplicada dividido por el área de la superficie de la indentación, la cual se asume esférica, es llamado número de dureza Brinell (HB) de acuerdo con la siguiente ecuación:

donde: HB - número de dureza Brinell, P- carga aplicada, kgf, D - diámetro de la bola de acero, mm, y D - diámetro medio de la indentación, mm. Ensayo de dureza Portátil Bajo ciertas circunstancias, puede ser deseable sustituir un instrumento de ensayo Brinell portátil, el cual es calibrado para dar resultados equivalentes a los de una máquina Brinell estándar sobre una barra de prueba de comparación de aproximadamente la misma dureza que el material a ser ensayado.

Ensayo de dureza Rockwell El ensayo se realiza en una máquina especialmente diseñada que aplica la carga a través de un sistema de pesas y palancas. El "penetrador" puede ser una bola de acero o un cono de diamante con una punta ligeramente redondeada. El valor de la dureza, según se lee en un indicador especialmente graduado, es un número arbitrario que está inversamente relacionado con la profundidad de la huella. Primero se aplica una carga menor de 10 kgf, que causa una penetración inicial, fija el penetrador en el material y lo mantiene en posición. Se aplica una carga mayor, que depende de la escala usada, aumentando la profundidad de la indentación. La carga mayor es removida y, con la carga menor aún actuando, se determina el número de dureza Rockwell, el cual es proporcional a la diferencia en la penetración entre las cargas mayor y menor; éste es usualmente dado por la máquina y se muestra en un dial, pantalla digital, impresora u otro dispositivo. Ensayo de Impacto

El ensayo de impacto consiste en dejar caer un pesado péndulo (péndulo de Charpy), el cual a su paso golpea una probeta que tiene forma paralelepípeda ubicada en la base de la máquina. A través de este ensayo se puede conocer el comportamiento que tienen los materiales al impacto. El nombre de este ensayo se debe a su creador, el francés Augustin Georges Albert Charpy (1865-1945).

Figura 6. Péndulo de Charpy.

Desde el punto de vista mecánico parece bastante simple, sin embargo, con este instrumento se pueden diseñar varias pruebas de impacto donde se demuestra de forma rápida y didáctica, la influencia que tienen determinados factores en el comportamiento mecánico de los materiales.

Los modos de fractura que pueden experimentar los materiales se clasifican en dúctil o frágil, dependiendo de la capacidad que tienen los mismos de absorber energía durante este proceso. Actualmente no existe un criterio único para determinar cuantitativamente cuando una fractura es dúctil o frágil, pero todos coinciden en que el comportamiento dúctil esta caracterizado por una absorción de energía mayor que la requerida para que un material fracture levemente. Por otra parte el comportamiento dúctil tiene asociado altos niveles de deformación plástica en los materiales. Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse. Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composición química.

Figura 7. Resultados de ensayos Charpy variando el ángulo de carga.

Las pruebas de impacto Charpy se realizan según normas internacionales. De acuerdo con las normas ISO (International Organization for Standarization), los resultados de los ensayos de impacto, en probetas entalladas, se suelen expresar en (kJ/m2) mientras que según las normas ASTM (American Society for Testing Materials) se reportan los resultados en (J/m). Entre los factores que contribuyen a modificar el modo de fractura y que se pueden estudiar mediante el ensayo de impacto Charpy se encuentran: ü La velocidad de aplicación de la carga. ü La presencia de concentradores de tensiones, lo cual se logra mecanizando una entalla en la probeta del material a estudiar. ü El impacto en materiales expuestos a diferentes temperaturas. Este ultimo factor es el responsable que determinados materiales experimenten una transición dúctil-frágil con la disminución de la temperatura. Para determinar el intervalo de temperaturas en el que se encuentra esa transición se suelen realizar los ensayos Charpy a distintas temperaturas con la ayuda de un sistema de calentamiento y enfriamiento acoplado al péndulo. En su defecto, cuando no se dispone de tal mecanismo y se desea evaluar comportamientos mecánicos extremos, las muestras se pueden sumergir en baños a diferentes temperaturas con el atenuante de que no existe un control exacto de la temperatura a la cual se realiza el ensayo y con el cuidado de realizar la prueba de impacto lo mas rápido posible para evitar que las muestras experimenten grandes gradientes de temperatura.

CONCLUSIONES Desde el punto de vista de la ingeniería es muy importante, y en ocasiones imprescindible, conocer cual sería el comportamiento mecánico de los materiales cuando se encuentran expuestos a condiciones extremas de trabajo. Y para lograr este conocimiento integral existen los ensayos relatados en este informe. En primer lugar se realizó un ensayo de tracción sobre una probeta de acero para dicho fin, de acuerdo a las normas ASTM, el cual permitió obtener las características mecánicas principales de dicho material a partir del análisis de la curva de tensióndeformación y verificar de este modo las propiedades de estos aceros. Se realizaron además ensayos de dureza destacando los ensayos de Brinell y Rockwell. Este ultimo es uno de los mas utilizados, porque no constituye una gran perdida de material, incluso es posible reutilizar la pieza. Este tipo de ensayo es fácil de llevar a cabo, porque no implica mayores cálculos matemáticos y el resultado de cada ensayo se obtiene de la directa lectura del dial. Entre las ventajas del ensayo Rockwell se encuentran: • Es de amplia aplicación pues se puede utilizar tanto en materiales duros como blandos. • Es fácil el reconocimiento de resultados erróneos, porque varía mucho la lectura entre un ensayo y otro. • Por la rapidez y sencillez de los ensayos se pueden efectuar numerosos en muy poco tiempo y así verificar la autenticidad de los resultados. La elección del método para determinar la dureza depende de factores tales como tipo, dimensiones de la muestra y espesor de la misma. Los experimentos que se pueden realizar con el péndulo de Charpy pueden ser muchos, desde diseños para establecer una relación entre la estructura interna de los materiales hasta diseños para describir su comportamiento a la fractura, como podría ser: el tamaño del grano, la composicion de la aleación y la presencia de precipitados, entre otros.