Unid7ensayos Mecanicos

Técnicas Experimentales en Metalurgia (Área Ingeniería de Materiales)

Unidad Temática Nº 7

TÉCNICAS EXPERIMENTALES EN METALURGIA

Unidad temática nº 7: Ensayos Mecánicos 7.1.: Propiedades mecánicas Los materiales se seleccionan para diversas aplicaciones y componentes adecuando las propiedades del material a las condiciones funcionales requeridas por el componente. El primer paso en el proceso de selección requiere que se analice la aplicación para determinar las características más importantes que debe poseer el material. ¿Debe ser el material resistente, rígido o dúctil? ¿Estará sometido a la aplicación de una gran fuerza, o a una fuerza súbita intensa, a un gran esfuerzo, a elevada temperatura o a condiciones de abrasión? Una vez determinadas las propiedades requeridas se selecciona el material apropiado usando datos que se encuentran en los manuales. Sin embargo, se debe saber cómo se obtienen las propiedades listadas en los manuales, saber qué significan y darse cuenta que resultan de pruebas ideales que pueden no aplicarse con exactitud a casos reales de la ingeniería. En esta unidad se estudiarán diversos ensayos que se utilizan para medir cómo se comporta un material al aplicarle una fuerza. Los resultados de estas pruebas constituyen las propiedades mecánicas del material. 7.2.: Ensayos de dureza Es difícil definir la propiedad de "dureza", excepto en relación con la prueba empleada en particular para determinar su valor. Debe tenerse en cuenta que un número o valor de dureza no puede utilizarse directamente en trabajos de diseño, como se puede hacer con un valor de resistencia a la tensión, ya que los números de dureza no tienen significado intrínseco. La dureza no es una propiedad fundamental de un material, sino que está relacionada con las propiedades elásticas y plásticas. El valor de dureza obtenido en una prueba determinada sirve sólo como comparación entre materiales o tratamientos. El procedimiento de prueba y la preparación de la muestra suelen ser sencillos y los resultados pueden utilizarse para estimar otras propiedades mecánicas. La prueba de dureza se utiliza ampliamente para inspección y control. El tratamiento térmico o el trabajo efectuado en una pieza metálica resulta generalmente en un cambio de dureza. Cuando se establece el valor resultante de la dureza de un tratamiento térmico a un material dado por un proceso determinado, esa estimación proporcionará un método rápido y sencillo (de inspección y control) para el material y proceso particulares. Las diversas pruebas de dureza se pueden dividir en tres categorías: - Dureza elástica - Resistencia al corte o abrasión - Resistencia a la indentación

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Figura 7.1.: Escleroscopio para mediciones de dureza.

7.2.a: Dureza Elástica Este tipo de dureza se mide mediante un escleroscopio (figura 7.1), que es un dispositivo para medir la altura de rebote de un pequeño martillo con emboquillado de diamante, después de que cae por su propio peso desde una altura definida sobre la superficie de la pieza a prueba. El instrumento tiene por lo general un disco autoindicador tal que la altura de rebote se indica automáticamente. Cuando el martillo es elevado a su posición inicial, tiene cierta cantidad de energía potencial. Cuando es liberada, esta energía se convierte en energía cinética hasta que golpea la superficie de la pieza a prueba. Alguna energía se absorbe al formar la impresión, y el resto regresa al martillo al rebotar éste. La altura de rebote se indica por un número sobre una escala arbitraria tal que cuanto mayor sea el rebote, mayor será el número y la pieza a prueba será más dura. Esta prueba es realmente una medida de la resistencia del material, o sea, la energía que puede absorber en el intervalo elástico. 7.2.b: Resistencia al corte o abrasión - Prueba de rayadura Esta prueba la ideó Friedrich Mohs. La escala consta de diez minerales estándar arreglados siguiendo un orden de incremento de dureza. El talco es el 1, el yeso el 2, etc., hasta el 9 para el corindón y el 10 para el diamante. Si un material desconocido es rayado apreciablemente por el 6 y no por el 5, el valor de dureza está entre 5 y 6. Esta prueba no se ha utilizado mucho en Metalurgia, pero aún se emplea en Mineralogía. La principal desventaja es que la escala de dureza no es uniforme. Cuando la dureza de los minerales es examinada por otro método de prueba de dureza, se encuentra que los valores están muy cercanos entre 1 y 9 y que hay gran diferencia en dureza no cubiertas entre 9 y 10.

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- Prueba o ensayo de lima. La pieza a prueba se somete a la acción de corte de una lima de dureza conocida, para determinar si se produce un corte visible. Las pruebas comparativas con una lima dependen del tamaño, forma y dureza de la lima, de la velocidad, presión y ángulo de limado durante la prueba, y de la composición y tratamiento térmico del material a prueba. La prueba generalmente se emplea en la industria como aceptación o rechazo de una pieza. En muchos casos, sobre todo con aceros para herramientas, cuando el acero se trata térmicamente, será suficientemente duro, tal que si se pasa una lima por la superficie, ésta no se cortará. No es raro encontrar especificaciones de tratamiento térmico que digan simplemente "tratar térmicamente hasta que el material tome dureza a prueba de lima". Al pasar una lima por la superficie, se puede examinar con rapidez un gran numero de partes tratadas térmicamente para determinar si el tratamiento ha sido satisfactorio. 7.2.c: Resistencia a la indentación. Esta prueba generalmente se utiliza imprimiendo en la muestra, la que está en reposo sobre una plataforma rígida, un marcador o indentador de geometría determinada, bajo una carga estática conocida que se aplique directamente o por medio de un sistema de palanca. Dependiendo del sistema de prueba, la dureza se expresa por un número inversamente proporcional a la profundidad de la indentación para una carga y marcador especificados, o proporcionales a una carga media sobre el área de mella. Los métodos más comunes para pruebas de dureza por indentación se describen enseguida. - Prueba o ensayo de dureza Brinell El probador de dureza Brinell generalmente consta de una prensa hidráulica vertical de operación manual, diseñada para forzar un marcador de bola dentro de la muestra (figura 7.2a). El procedimiento estándar requiere que la prueba se haga con una bola de 10 mm de diámetro bajo una carga de 3000 kg para metales ferrosos y 500 kg para metales no ferrosos. Para metales ferrosos, la bola bajo presión es presionada dentro de la muestra a prueba por lo menos durante 10 seg.; para metales no ferrosos el tiempo es 30 seg. El diámetro de la impresión producida es medido por medio de un microscopio que contiene una escala ocular, generalmente graduada en décimos de milímetro, que permite estimaciones de hasta casi 0.05 mm. El número de dureza Brinell (HB) es la razón de la carga de kilogramos al área en milímetros cuadrados de la impresión, y se calcula mediante la fórmula: HB =

L ( πD/2)(D - D2 - d2 )

donde: L = carga de prueba, kg D = diámetro de la bola, mm d = diámetro de la impresión, mm Por lo general no se necesita hacer el cálculo, ya que hay tablas para convertir el diámetro de la grabación observada al número de dureza Brinell (consúltese la tabla en fotocopia anexa).

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a)

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b)

Figura 7.2.: a) Probador de dureza Brinell. b) Probador de dureza Rockwell.

El número de dureza Brinell seguido por el símbolo HB sin números sufijos indica condiciones de prueba estándar usando una bola de 10 mm de diámetro y una carga de 3000 kg, aplicada de 10 a 15 seg. Para otras condiciones, el número de dureza y el símbolo HB se complementan por números que indican las condiciones de prueba en el siguiente orden: Diámetro de la bola, carga y duración de la carga; por ejemplo, 75 HB 10/500/30 indica una dureza Brinell de 75 medida con una bola de 10 mm de diámetro y una carga de 500 kg aplicada por 30 seg. El número de dureza Brinell cuando se usa la bola ordinaria está limitado a 500 HB aproximadamente. Conforme el material a prueba sea más duro, hay tendencia a que el propio marcador de muescas se empiece a deformar y las lecturas no serán exactas. El límite superior de la escala puede aumentarse al usar una bola de carburo de tungsteno en vez de una bola de acero endurecido. En ese caso, es posible llegar a 650 HB aproximadamente. - Prueba o ensayo de dureza Rockwell. En esta prueba de dureza se utiliza un instrumento de lectura directa basado en el principio de medición de profundidad diferencial (figura 7.2b). La prueba se lleva a cabo al elevar la muestra lentamente contra el marcador hasta que se ha aplicado una carga determinada menor. Luego se aplica la carga mayor a través de un sistema de palanca de carga. Después de que la aguja del disco llega al reposo, se quita la carga mayor, y con la carga menor todavía en acción, el número de dureza Rockwell es leído en el disco medidor. Como el orden de los números se invierte en el disco medidor, una impresión poco profunda en un material duro dará un número grande en tanto que una impresión profunda en un material blando dará un número pequeño. Hay dos máquinas Rockwell: El probador normal para secciones relativamente gruesas y el probador superficial para secciones delgadas. La carga menor es de 10 kg en el probador normal y de 3 kg en el probador superficial.

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Pueden utilizarse diversos marcadores de muescas y cargas y cada combinación determina una escala Rockwell específica. Los marcadores de muescas incluyen bolas de acero duras de 1/16, 1/8, 1/4 y 1/2 de pulgada de diámetro y un marcador cónico de diamante de 120°. Generalmente las cargas mayores son de 60, 100 y 150 kg en el probador normal y de 15, 30 y 45 kg en el probador superficial. Las escalas Rockwell empleadas más comúnmente son la B (marcador de bola de 1/16 de pulg. y 100 kg de carga) y la C (marcador de diamante y 150 kg de carga), ambas obtenidas con el probador normal. Debido a las muchas escalas Rockwell, el número de dureza debe especificarse mediante el símbolo HR seguido de la letra que designa la escala y precedido de los números de dureza; por ejemplo, 82 HRB significa una dureza de Rockwell de 82 medida en la escala B (bola de 1/16 de pulg y 100 kg de carga). En la tabla 1 aparecen las escalas de dureza Rockwell y algunas aplicaciones típicas. El funcionamiento de la máquina debe ser verificado frecuentemente con bloques de prueba estándar proporcionados por el fabricante. La manija de operación debe regresarse suavemente a su posición inicial; golpear la manija para quitar la carga mayor puede producir un error de varios puntos en el disco de indicación. Se debe tener cuidado de asentar firmemente el yunque y el marcador. Cualquier movimiento vertical en estos puntos resulta en un registro de una profundidad adicional en el medidor y, por tanto, en una lectura de dureza falsa. Tabla 1: Escalas de dureza Rockwell Escala Carga mayor (kg) A

60

B

100

Tipo de marcador

Materiales típicos probados

de muescas Cono de diamante Materiales duros en extremo, CW, etc. Bola de 1/16“

Materiales de dureza media, aceros de bajo y medio C, latón, bronce, etc

C

150

Cono de diamante Aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y revenidas (tratadas).

D

100

Cono de diamante Acero superficialmente cementado.

E

100

Bola de 1/8“

F

60

Bola de 1/16“

Bronce y cobre recocidos.

G

150

Bola de 1/16“

Cobre al berilio, bronce fosfórico, 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.

M

100

Bola de 1/4“

Igual que la escala L.

P

150

Bola de 1/4“

Igual que la escala L.

R

60

Bola de 1/2“

Igual que la escala L.

S

100

Bola de 1/2“

Igual que la escala L.

V

150

Bola de 1/2“

Igual que la escala L.

Hierro fundido, aleaciones de aluminio y magnesio.

- Prueba o ensayo de dureza Vickers En esta prueba, el instrumento utiliza un marcador piramidal de diamante de base cuadrada con un ángulo incluido de 136° entre las cargas opuestas (figura 7.3). El intervalo de carga está generalmente entre 1 y 120 kg. El probador de dureza Vickers funciona bajo el mismo principio que el probador Brinell, y los números se

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expresan en términos de carga y área de la impresión. Como resultado de la forma del marcador, la impresión sobre la superficie de la muestra será un cuadrado. La longitud de la diagonal del cuadrado es medida por medio de un microscopio equipado con un micrómetro ocular que contiene filos móviles. La distancia entre los filos se indica en un contador calibrado en milésimas de milímetros. Por lo general, hay tablas para convertir la diagonal medida al número de dureza piramidal Vickers (HV) o por medio de la fórmula: HV =

1.854 L d2

donde: L = carga aplicada, en kg d = longitud de la diagonal del cuadrado de la impresión, en mm.

Figura 7.3 : Marcador piramidal de diamante Vickers.

Como resultado de la lentitud en las cargas aplicadas, el probador Vickers es útil para medir la dureza de hojas muy delgadas, así como secciones pesadas. - Prueba o ensayo de microdureza. Desafortunadamente, este término es engañoso ya que podría referirse a la prueba de pequeños valores de dureza cuando que en realidad significa el uso de impresiones pequeñas. Las cargas de prueba están entre 1 y 1000 g. Hay dos tipos de marcadores empleados para la prueba de microdureza: la pirámide de diamante Vickers de base cuadrada de 136°, descrita anteriormente y el marcador Knoop de diamante alargado. El marcador Knoop (figura 7.4.) tiene forma piramidal que produce una impresión en forma de diamante, y tiene diagonales largas y cortas a una razón aproximada de 7:1. La fórmula piramidal empleada tiene incluidos ángulos longitudinales de 172°30 y ángulos transversales de 130°. La profundidad de impresión es como de 1/30 de su longitud. Como en la prueba Vickers, la diagonal más larga de la impresión es medida ópticamente con el ocular de un micrómetro de rosca. El número de dureza Knoop es el resultado de dividir la carga entre el área de la impresión. Por lo general se utiliza tablas para convertir la longitud diagonal medida al número de dureza Knoop (HK), o mediante la fórmula siguiente: HK =

14.229 L d2

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donde L = carga aplicada, en kg d = longitud de la diagonal mayor, en mm.

Figura 7.4.: Marcador piramidal Knoop de diamante indentado.

La figura 7.5. muestra el probador de microdureza Tukon. En la tabla 2 aparecen algunas aplicaciones típicas de la prueba de dureza por marcación.

Figura 7.5.: Probador de microdureza Tukon Dra. Stella Ordoñez - Depto. de Ingeniería Metalúrgica - Universidad de Santiago de Chile

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Tabla nº 2: Aplicaciones típicas de las pruebas de dureza por indentación BRINELL

ROCKWELL

ROCKWELL

SUPERFICIAL

Acero estructural Partes acabadas, y otras secciones tales como cojinelaminadas. tes, válvulas, tuercas, pernos, enLa mayor parte granajes, poleas, de las fundicio rodillos, pasadones, incluyendo res, pivotes, topes, el acero, Fe fun- etc. dido y aluminio. Herramientas de La mayor parte corte, tales como de los fraguados. sierras, cuchillas, cinceles, tijeras. Herramientas formado.

Las mismas que las Rockwell estándar, excepto donde se requiere una penetración menos profunda como en:

Las mismas que para la Rockwell y Rockwell superficial, excepto donde se requiere más exactitud o menor penetraPartes cementadas ción como en: delgadas hasta 0.01 pulg. Partes cementadas delgadas, de Materiales delgados 0.005 a 0.010 hasta 0.006 pulg. pulg.

de Carburos cementados.

Fundiciones y Metales en polvo. forjados pequeños. Hojas metálicas. Alambre de diámetro grande. Contactos eléctricos Hojas o plásticas.

partes

Partes cementadas. Carburos cementados.

VICKERS

MICRODUREZA Superficies plateadas. Revestimientos como laca, barniz o pintura. Láminas delgadas y materiales muy delgados, hasta de 0.0001 pulg. Para establecer los gradientes de endurecimiento.

Bimetales y materiales Materiales delgalaminados. dos, hasta 0.005 pulg. Partes o áreas muy pequeñas, como engraPartes de acabanajes de reloj, bordes do fino, con el fin de herramientas de de evitar una corte, crestas de filetes operación de en cuerdas, puntos remoción. pivote, etc. Secciones delga- Materiales muy frágiles das, tales como o quebradizos (indentatuberías. dor de Knoop), como silicio, germanio, vidrio, Estructuras esmalte de dientes. débiles. Materiales opacos, Espesor del claros o translúcidos. chapeado. Metales en polvo. Para investigar constituyentes individuales de un material. Para determinar la dureza del grano o la dureza de la frontera del mismo.

- Exactitud de cualquier prueba o ensayo de dureza por indentación Algunos de los factores que influyen en la exactitud de cualquier prueba de dureza por indentación son: a) Condición del marcador de muescas: El achatamiento de la bola de acero de un marcador producirá errores en el número de dureza, en cuyo caso la bola debe ser revisada frecuentemente para detectar cualquier deformación permanente y debe descartarse cuando ocurra tal deformación. Los marcadores de diamante deben revisarse en busca de cualquier señal de astillado.

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b) Exactitud de la carga o esfuerzo aplicado: El probador debe aplicar cargas dentro del intervalo establecido con errores mínimos. Las cargas mayores a la cantidad recomendada no deben utilizarse para obtener así pruebas exactas. c) Cargas o esfuerzos aplicados con impacto: Además de producir lecturas de dureza inexactas, el impacto a la carga puede dañar los marcadores de diamante. El uso de un recipiente pequeño con aceite, controlado, asegurará la uniformidad, así como la continua operación del mecanismo de carga. d) Condición de la superficie de la muestra: La superficie de la muestra sobre la cual se va a tomar la lectura de dureza debe ser plana y representativa del material en buen estado. Cualquier orificio, costra o grasa debe eliminarse por esmerilado o pulido. e) Espesor de la muestra: La muestra debe ser suficientemente gruesa de modo que no aparezca alguna protuberancia sobre la superficie opuesta a la de la impresión. El espesor de la muestra recomendado es de por lo menos diez veces la profundidad de la impresión. f) Forma de la muestra: Se logra mayor exactitud cuando la superficie a prueba es plana y perpendicular al eje vertical del indentador. Una muestra larga debe sujetarse adecuadamente de tal forma que no se ladee. Una superficie plana debe prepararse, si es posible, sobre una muestra de forma cilíndrica y usarse un yunque en V para soportar la muestra, a menos que se esmerilen bases planas paralelas en lados opuestos del cilindro, en cuyo caso se puede utilizar un yunque plano. Si se hace una prueba de dureza Rockwell en una muestra redonda menor de 1 pulg. de diámetro sin haber esmerilado una cara plana, la lectura observada debe ajustarse por un factor de corrección apropiado (Tabla nº 3). g) Localización de las impresiones: Las impresiones deben estar al menos a 2½ diámetros de distancia del borde de la muestra y separadas al menos 5 diámetros cuando se utilicen bolas para la prueba de dureza. h) Uniformidad del material: Si hay variaciones estructurales y químicas en el material, a mayor área de impresión más exacta será la lectura de dureza promedio. Para obtener una dureza promedio verdadera para el material, es necesario tomar muchas lecturas si el área de impresión es pequeña. - Ventajas y desventajas de los diferentes tipos de pruebas. La selección de una prueba de dureza se determina generalmente por la facilidad de realización y por la exactitud deseada. Como la prueba Brinell deja una impresión relativamente grande, está limitada a secciones de tamaño mayor. Sin embargo, esto constituye una ventaja cuando el material probado no es homogéneo. La superficie de la pieza a prueba cuando se efectúa una prueba Brinell no tiene que ser tan uniforme como la que se requiere en métodos de prueba que producen impresiones menores; no obstante, usar un microscopio para medir el diámetro de la impresión no es tan conveniente como leer un disco medidor. Debido a la deformación de la bola de acero, la prueba Brinell suele ser inexacta por encima de 500 HB. El intervalo puede aumentarse a 650 HB con una bola de carburo de tungsteno.

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Tabla nº 3: Carta Wilson de correcciones cilíndricas. Marcador cónico de diamante Escalas C, D, A

Diámetro de la muestra, pulg. 1/4

3/8

1/2

5/8

3/4

7/8

1

80

0.5

0.5

0.5

0

0

0

0

70

1.0

1.0

0.5

0.5

0.5

0

0

60

1.5

1.0

1.0

0.5

0.5

0.5

0.5

50

2.5

2.0

1.5

1.0

1.0

0.5

0.5

40

3.5

2.5

2.0

1.5

1.0

1.0

1.0

30

5.0

3.5

2.5

2.0

1.5

1.5

1.0

20

6.0

4.5

3.5

2.5

2.0

1.5

1.5

Marcador de bola de 1/16 pulg. Escalas B, F, G

Diámetro de la muestra, pulg. 1/4

3/8

1/2

5/8

3/4

7/8

1

100

3.5

2.5

1.5

1.5

1.0

1.0

0.5

90

4.0

3.0

2.0

1.5

1.5

1.5

1.0

80

5.0

3.5

2.5

2.0

1.5

1.5

1.5

70

6.0

4.0

3.0

2.5

2.0

2.0

1.5

60

7.0

5.0

3.5

3.0

2.5

2.0

2.0

50

8.0

5.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

40

9.0

6.0

4.5

4.0

3.0

2.5

2.5

La prueba Rockwell es una operación rápida y sencilla. Como las cargas y los indentadores o marcadores son menores que los utilizados en la prueba Brinell, la prueba Rockwell puede emplearse en muestras más delgadas y probarse tanto los materiales más duros como los más blandos. El probador Vickers es el más sensible de los probadores de dureza utilizados en la producción industrial. Tiene una sola escala continua para todos los materiales y el número de dureza es virtualmente independiente de la carga. Debido a la posibilidad de usar cargas ligeras, pueden probarse secciones más delgadas que cualquier otra prueba de producción y la impresión cuadrada es la más fácil de medir con exactitud. La prueba de microdureza es básicamente una prueba de laboratorio. Usar cargas muy ligeras permite probar partes muy pequeñas y secciones muy delgadas. Puede utilizarse para determinar la dureza de constituyentes individuales de la microestructura. Como a menor tamaño de la indentación el terminado de la superficie debe ser mejor, se necesita tener bastante más cuidado para preparar la superficie para la prueba de microdureza. Por lo general, la superficie se prepara mediante la técnica de pulido metalográfico, descrito en la unidad temática nº 6. Las ventajas principales del escleroscopio son las pequeñas impresiones que permanecen, la rapidez de la prueba y la portabilidad del instrumento; sin embargo, los resultados tienden a ser inexactos, a menos que se tomen precauciones adecuadas.

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El tubo debe estar perpendicular a la pieza o prueba, las piezas delgadas deben estar soportadas y afianzadas adecuadamente, la superficie que se va a probar debe ser más uniforme y lisa que para la mayoría de los otros métodos de prueba, y la punta de diamante no debe estar astillada o agrietada. - Conversión de los distintos números de dureza. Existen tablas que permiten la conversión de dureza aproximada entre las diversas máquinas probadoras de dureza. Estos datos generalmente se aplican a aceros y se ha derivado de extensas pruebas de dureza en aceros al carbono y de sus aleaciones, principalmente en aquellos que han sido tratados térmicamente. 7.3.: Ensayo de tracción 7.3a. Esfuerzo y deformación. (stress y strain) Cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza externa que tiende a cambiar su forma o tamaño, el cuerpo se resiste a esa fuerza. La resistencia externa del cuerpo se conoce como esfuerzo (stress) y los cambios en las dimensiones del cuerpo que la acompañan se llaman deformaciones o alargamientos (strain). El esfuerzo total es la resistencia interna total que actúa en una sección del cuerpo. Por lo general, la cantidad determinada es la intensidad de esfuerzo o esfuerzo unitario, definida como el esfuerzo por unidad de área. El esfuerzo unitario generalmente se expresa en unidades de libras por pulgadas cuadrada (psi) o megapascales (MPa) y para una carga axial tensil o una compresiva, se calcula como la carga por unidad de área. La deformación o alargamiento total en cualquier dirección es el cambio total de una dimensión del cuerpo en esa dirección, y la deformación unitaria es la deformación o alargamiento por unidad de longitud en esa dirección. 7.3b. Prueba o ensayo de tensión. Después de la prueba de dureza, la prueba de tensión es la realizada más frecuentemente para determinar ciertas propiedades mecánicas. Una muestra o probeta preparada específicamente se coloca en las cabezas de la máquina de prueba y se somete a una carga axial por medio de un sistema de carga de palanca, mecánico o hidráulico. La fuerza se indica en un disco calibrado. Si se conoce el área transversal original de la muestra, puede calcularse el esfuerzo desarrollado a cualquier carga. La deformación o alargamiento se mide en una longitud establecida, generalmente 2 pulg, por un disco medidor llamado extensómetro, (figura 7.6). Entonces, la deformación unitaria puede determinarse dividiendo el alargamiento medido entre la longitud original marcada en la probeta. En algunos casos, puede utilizarse un medidor eléctrico de la deformación para medir la deformación total.

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Figura 7.6.: Muestra tensil fijada a un extensómetro.

La figura 7.7 muestra la relación entre esfuerzo unitario s y deformación unitaria ε, encontrada experimentalmente, mediante la gráfica esfuerzo-deformación para un material dúctil (figura 7.7a), y para un material frágil (figura 7.7b).

a)

b)

Figura 7.7: a) Gráfica esfuerzo-deformación para un acero dúctil. b) Gráfica esfuerzo-deformación para un acero frágil.

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7.3c.: Deformación elástica y deformación plástica Cuando se aplica una fuerza a una probeta, los enlaces entre los átomos se estiran y el material se alarga. Cuando se retira la fuerza, los enlaces retornan a su longitud original y la probeta vuelve a su tamaño inicial. La deformación del metal en esta porción elástica de la curva esfuerzo-deformación no es permanente. Si las fuerzas son mayores el material se comporta de una manera plástica. Cuando se incrementa el esfuerzo, las dislocaciones empiezan a producirse, ocurre el deslizamiento y el material empieza a deformarse plásticamente. A diferencia de la deformación elástica, la deformación ocasionada por el deslizamiento es permanente. El esfuerzo en que se inicia el deslizamiento es el punto que delimita los comportamientos elástico y plástico. 7.3d.: Propiedades de tensión (o tensiles) Las propiedades que se pueden determinar con la prueba de tensión se explican en seguida. a) Límite proporcional (Proportional limit): Para muchos materiales estructurales se ha encontrado que la parte inicial de la gráfica esfuerzo-deformación puede ser aproximada por la recta OP de las figuras 7.7a y 7.7b. En este intervalo, el esfuerzo y la deformación son proporcionales entre sí (Ley de Hooke), de manera que cualquier incremento en esfuerzo resultará de un aumento proporcional a la deformación. El esfuerzo en el límite del punto de proporcionalidad P se conoce como límite de proporcionalidad. b) Límite elástico (Elastic limit): Si se retira una pequeña parte de la carga aplicada sobre la pieza a prueba, la aguja del extensómetro regresará a cero, indicando que la deformación producida por la carga es elástica. Si la carga se aumenta continuamente, se libera después de cada incremento y se revisa el extensómetro, entonces se alcanzará un punto en que la aguja no regresará a cero. Esto indica que ahora el material tiene una deformación permanente; por tanto, el límite elástico puede definirse como el esfuerzo mínimo al que ocurre la primera deformación permanente. Para la mayoría de los materiales estructurales, el límite elástico tiene casi el mismo valor numérico que el límite de proporcionalidad. c) Punto o límite de cedencia o fluencia (Yield point): Conforme la carga (fuerza) en la pieza a prueba aumenta más allá del límite elástico, se alcanza un esfuerzo al cual el material continúa deformándose sin que haya incremento de la carga. El esfuerzo en el punto Y de la figura 7.7a

se conoce como punto de cedencia o

fluencia. Este fenómeno ocurre sólo en ciertos materiales dúctiles. El esfuerzo puede disminuir realmente por un momento, resultando en un punto de cedencia superior y en uno inferior. Como el punto de cedencia es relativamente fácil de determinar y la deformación permanente es pequeña hasta el punto de cedencia, constituye un valor muy importante de considerar en el diseño de muchas partes para maquinaria cuya utilidad se afectaría si ocurriera una gran deformación permanente. Esto es válido sólo para materiales que exhiban un punto de cedencia bien definido. d) Resistencia a la cedencia o fluencia (Yield strenght): La mayoría de los materiales no ferrosos y los aceros de alta resistencia no tienen un punto de cedencia definido. Para estos materiales, la máxima resistencia útil

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corresponde a la resistencia de cedencia, que es el esfuerzo al cual un material exhibe una desviación limitante especificada de la proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación. Por lo general, este valor se determina por el "método de la deformación permanente especificada" (offset method). En la figura 7.7b, la deformación especificada OX se marca sobre el eje de la deformación. En seguida, se traza la línea XW paralela a OP, localizando de esta manera el punto Y intersección de la línea XW con el diagrama esfuerzo-deformación. El valor del esfuerzo en el punto Y indica la resistencia de cedencia o fluencia. El valor de la deformación permanente especificada está generalmente entre 0.10 y 0.20% de la longitud calibrada. e) Resistencia límite: Conforme aumenta la carga aplicada sobre la pieza a prueba, el esfuerzo y la deformación se incrementan, como lo indica la porción de la curva YM (fig. 7.7a) para un material dúctil, hasta que se alcanza el esfuerzo máximo en el punto M; por tanto, la resistencia límite o la resistencia a la tensión es el esfuerzo máximo desarrollado por el material, basado en el área transversal original. Un material frágil se rompe cuando es llevado hasta la resistencia límite (punto B de la figura 7.7b), en tanto que el material dúctil continuará alargándose. f) Resistencia a la ruptura: Para un material dúctil, hasta el punto de resistencia límite, la deformación es uniforme a lo largo de la longitud de la barra. Al esfuerzo máximo, la muestra experimenta una deformación localizada o formación de cuello y la carga diminuye conforme el área decrece. Esta elongación en forma de cuello es una deformación no uniforme y ocurre rápidamente hasta el punto en que el material falla (fig. 7.8). La resistencia a la ruptura (punto B, fig. 7.7a), determinada al dividir la carga de ruptura entre el área transversal original, es siempre menor que la resistencia límite. Para un material frágil, la resistencia límite y la resistencia de ruptura coinciden.

Figura 7.8.: Probeta de tracción antes y después del ensayo

g) Ductilidad: La ductilidad de un material se determinará a partir de la cantidad de deformación que le es posible soportar hasta que se fractura. Ésta se determina en una prueba de tensión mediante dos mediciones: Alargamiento: Se determina juntando, después de la fractura, las partes de la muestra y midiendo la distancia entre las marcas puestas en la muestra antes de la prueba, Dra. Stella Ordoñez - Depto. de Ingeniería Metalúrgica - Universidad de Santiago de Chile

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Alargamiento (por ciento) =

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L f − L0 x100 L0

donde Lf= longitud de la medida final, Lo= longitud de la medida original, generalmente 2 pulg. Al reportar el porcentaje de elongación, debe especificarse la longitud de la medida original, ya que el porcentaje de elongación variará de acuerdo con la longitud original. Reducción en área: Ésta también se determina a partir de las mitades rotas de la muestra bajo la tensión, midiendo para ello el área transversal mínima y con la fórmula: Reducción en área (por ciento) =

A0 − Af x100 A0

donde Ao= área transversal original Af= área transversal final Los materiales dúctiles exhiben una curva esfuerzo-deformación que llega a su máximo en el punto de resistencia a la tensión. En materiales más frágiles, la carga máxima o resistencia a la tensión ocurre en el punto de falla. En materiales extremadamente frágiles, como cerámicos, el esfuerzo de fluencia, la resistencia a la tensión y el esfuerzo de ruptura son iguales (figura 7.9).

Figura 7.9.: Comportamiento esfuerzo-deformación de materiales frágiles y dúctiles

La ductilidad es importante para diseñadores y fabricantes. El diseñador de un componente preferirá un material que presente al menos cierta ductilidad, de manera que si el esfuerzo aplicado es demasiado alto, el componente se deforme plásticamente antes de romperse. Un fabricante deseará un material dúctil de manera que pueda producir piezas de formas complicadas sin que el material se rompa durante el proceso. h) Módulo de la elasticidad o módulo de Young: Considérese la porción recta de la curva esfuerzo-deformación. La ecuación de una línea recta es y= mx + b, donde y es el eje vertical (en este caso, esfuerzo) y x el eje Dra. Stella Ordoñez - Depto. de Ingeniería Metalúrgica - Universidad de Santiago de Chile

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horizontal (en este caso, deformación). La intersección de la recta con el eje y es b, y en este caso es cero, ya que la recta pasa por el origen. La pendiente de la recta es m. Cuando se despeja m de la ecuación, la pendiente es igual a y/x. De esta manera, se puede determinar la pendiente de la recta dibujando un triángulo rectángulo cualquiera y encontrando la tangente del ángulo θ (fig. 7.7b), que es igual a y/x o esfuerzo/deformación. La pendiente es realmente la constante de proporcionalidad entre esfuerzo y deformación (ley de Hooke) cuando se está abajo del límite de proporcionalidad, y se conoce como módulo de elasticidad o módulo de Young. E=

σ = módulo de elasticida d ε

El módulo está estrechamente relacionado con las fuerzas que unen los átomos en el material. Una pendiente muy acentuada en la gráfica de las fuerzas y el espaciado interatómico en la zona de equilibrio indica que se requieren grandes fuerzas para separar los átomos y producir la deformación elástica del metal, lo cual indica que éste tiene un alto módulo de elasticidad. Las fuerzas de unión y, por lo tanto, el módulo de Young, son mayores para los metales de alto punto de fusión (figura 7.10).

Figura 7.10.: Curva fuerza - espaciamiento interatómico

El módulo de elasticidad, indicación de la rigidez de un material, se mide en GPa (GN/m2); por ejemplo, el módulo de elasticidad del acero es 207 GPa aproximadamente, en tanto que el del aluminio es 69 GPa. Por ende, el acero es aproximadamente tres veces más rígido que el aluminio (figura 7.11). El módulo de elasticidad es una propiedad muy útil de la Ingeniería y aparecerá en fórmulas relacionadas con el diseño de vigas y columnas, en las que la rigidez es importante.

Figura 7.11.: Comparación del comportamiento elástico del acero y del aluminio.

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i) Resiliencia: Energía absorbida en el campo elástico. Área bajo la curva en el intervalo elástico. Medida de la energía por unidad de volumen que puede absorber un material sin sufrir deformación permanente y que, por tanto, libera al retirar la carga (Resiliencia = módulo de recuperación). j) Tenacidad: Energía absorbida en el campo plástico. Capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente antes de fracturarse. Área bajo la totalidad de la curva esfuerzo-deformación en el ensayo de tracción. Ésta es principalmente una propiedad del intervalo plástico, ya que sólo una pequeña parte de la energía total absorbida es energía elástica que puede recuperarse cuando se suprime el esfuerzo 7.3e.:. Esfuerzo real-deformación real La prueba convencional de tensión descrita antes dará valiosa información hasta aproximarse y llegar al punto de cedencia. Más allá de este punto, los valores de esfuerzo son ficticios, ya que el área transversal real se reducirá considerablemente. Se define el esfuerzo real y la deformación real por las siguientes ecuaciones. (El índice t proviene de true) Esfuerzo real=σ t = Deformació n real=ε t =

dl

∫l

0

F A

 l  A  = ln   = ln  0   A   l0 

donde A es el área instantánea sobre la que se aplica la fuerza F. La expresión ln (A0/A) debe utilizarse después de iniciada la estricción. El diagrama esfuerzo-deformación real (fig. 7.12) se compara con la curva esfuerzo-deformación usual

Figura 7.12.: Relación entre el diagrama esfuerzo-deformación real, y el diagrama esfuerzo-deformación ingenieril.

7.3f.: Efectos térmicos Las propiedades a la tensión son afectadas de manera importante por la temperatura (Figura 7.13). El esfuerzo de fluencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad disminuyen a temperaturas elevadas, en tanto que la ductilidad, como medida del grado de deformación en la fractura, comúnmente se incrementa. A un fabricante que realiza lo que se conoce como trabajado en caliente le conviene utilizar

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materiales que se deformen a alta temperatura, para aprovechar la mayor ductilidad y el menor esfuerzo requeridos.

a)

b)

Figura 7.13.: El efecto de la temperatura en a) la curva esfuerzo-deformación y b) las propiedades de una aleación de Al.

7.4.: Ensayo de impacto Aunque la tenacidad de un material puede obtenerse calculando el área bajo el diagrama esfuerzodeformación, la prueba de impacto indicará la tenacidad relativa. Por lo general, para las pruebas de impacto se utilizan muestras tipo muesca . Dos tipos de muesca de tipo general se utilizan en pruebas de flexión por impacto: la muesca ojo de cerradura y la muesca en V. Asimismo, se utilizan dos muestras, la Charpy y la Izod, como se ve en las figuras 7.14 y 7.15.

Figura 7.14.: a) Dispositivo del ensayo Charpy. b) Muestras típicas

La muestra Charpy se coloca en un tornillo de banco de manera semejante a una viga sencilla soportada en ambos extremos, en tanto que la muestra Izod se coloca en el tornillo de banco de modo que un extremo quede libre y sea por tanto una viga en voladizo (figura 7.15).

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Figura 7.15.: Probeta de viga en voladizo y su montaje para el ensayo Izod

La máquina de impacto ordinaria tiene un péndulo oscilante de peso fijo (figura 7.14a), que es elevado a una altura estándar, dependiendo del tipo de muestra que se pretende probar. A esa altura, con referencia al tornillo del banco, el péndulo tiene una cantidad definida de energía potencial. Cuando el péndulo se libera, esta energía se convierte en energía cinética hasta que golpea a la muestra. La muestra Charpy se golpeará atrás de la muesca en V, en tanto que la muestra Izod, colocada con la muestra en V de cara al péndulo, se golpeará arriba de la muesca en V. En cualquier caso, una parte de la energía del péndulo se utilizará para romper la muestra, provocando que el péndulo se eleve en el lado opuesto de la máquina a una altura menor que aquella con que inició su movimiento desde ese mismo lado de la máquina. El peso del péndulo multiplicado por la diferencia de alturas indicará la energía absorbida por la muestra, o sea la resistencia al impacto de la muestra con muesca (figura 7.16).

Figura 7.16.: Relaciones espaciales para una máquina pendular

Para obtener resultados exactos puede resultar necesaria una corrección por la pérdida al arrastre de aire, por la energía absorbida por la fricción en el rodamiento de la máquina y por el brazo indicador, y por la energía usada al mover la pieza de ensayo rota.

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Sin considerar las pérdidas, la energía usada al fracturar una probeta puede computarse como sigue: Energía inicial

= W.H = W.R.(1 - cosA)

Energía después de la ruptura

= W.H’= W.R.(1 - cosB)

Energía para fracturar la probeta

= W.(H - H’) = W.R (cosB - cosA) *

La ecuación * se hace aplicable a ángulos mayores de 90º advirtiendo que cos (90 + θ) = -sen θ. De la descripción de la prueba, es obvio que la prueba de impacto a la cual se sujetó la barra mellada no da la tenacidad verdadera, sino su comportamiento en función de una muesca en particular; sin embargo, los resultados son útiles para propósitos de comparación.

7.4a.: Resultados del ensayo de impacto Los resultados de una serie de pruebas de choque realizadas a diversas temperaturas se muestran en la figura 7.17. A temperaturas altas, se requiere una gran absorción de energía para que se rompa la probeta, y se fractura con poca energía absorbida, a temperaturas bajas.

Figura 7.17.: Resultados típicos de una serie de pruebas de impacto.

A temperaturas elevadas el material se comporta de manera dúctil, con gran deformación y estiramiento de la probeta antes de fracturarse. A temperaturas bajas, el material es frágil y se observa poca deformación en el punto de fractura. La temperatura de transición es aquella a la cual el material cambia de presentar una fractura dúctil a una frágil. Un material que vaya a estar sometido a impacto durante su funcionamiento debe tener una temperatura de transición inferior a la temperatura de operación. Por ejemplo, la temperatura de transición del acero utilizado para un martillo de carpintero debe ser menor que la temperatura ambiente para evitar la fractura de la herramienta. No todos los materiales presentan una temperatura de transición (figura 7.18). Los metales BCC tienen temperatura de transición, pero la mayoría de los metales FCC no la tienen. Los metales FCC pueden absorber altas energías, y éstas decrecen gradual y lentamente conforme disminuye la temperatura.

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Figura 7.18.: Propiedades de dos aceros de bajo carbono (estructura BCC) y un acero inoxidable FCC, en un ensayo Charpy con probeta con muesca en V.

La energía de impacto corresponde al área delimitada por la curva esfuerzo real-deformación real. Los materiales que presentan alta resistencia y alta ductilidad, tienen una tenacidad adecuada (figura 7.19). Los cerámicos, por otro lado, tienen escasa tenacidad debido a que son quebradizos y virtualmente no presentan ductilidad.

Figura 7.19.: El área delimitada por la curva esfuerzo-deformación real se relaciona con la energía de impacto. Aunque el material B tiene un menor esfuerzo de fluencia, absorbe mayor energía que el material A.

Las muescas provocadas por un mecanizado, fabricación o diseño deficientes, ocasionan concentración de esfuerzos, reduciendo la tenacidad del material. La sensibilidad a las muescas de un material puede evaluarse comparando las energías absorbidas por probetas con muesca y sin ella. Las energías absorbidas por probetas con muescas son mucho menores si el material es sensible a las muescas. La energía absorbida y la temperatura de transición son muy sensibles a las condiciones de carga. Por ejemplo, una mayor rapidez de aplicación de la energía de impacto a la muestra reducirá la energía absorbida e incrementará la temperatura de transición. El tamaño de las probetas también afecta los resultados; pueden requerirse energías de impacto menores para romper materiales de mayor espesor. Finalmente, la configuración de la muesca puede afectar el comportamiento; una grieta superficial permite absorber menores energías que una muesca en V. Debido a que frecuentemente no es posible predecir o controlar todas estas

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condiciones, el ensayo de impacto se utiliza mejor para la comparación y selección de los materiales, que para obtener criterios de diseño.

7.5.: Ensayo de fatiga. En muchas aplicaciones un componente se somete a la aplicación repetida de un esfuerzo inferior al de fluencia del material. Este esfuerzo repetido puede ocurrir como resultado de cargas de rotación, flexión, o aun de vibración. Aunque el esfuerzo sea inferior al punto de fluencia, el metal puede fracturarse después de numerosas aplicaciones del esfuerzo. Este tipo de falla es conocido como fatiga. Un método común para medir la resistencia a la fatiga es el ensayo de la viga en voladizo rotatoria (figura 7.20).

Figura 7.20.: Dispositivo de prueba a la fatiga de viga en voladizo rotatoria.

El extremo de una probeta mecanizada cilíndrica se monta en un dispositivo acoplado a un motor. En el otro extremo se suspende un peso. La muestra soporta inicialmente una fuerza de tensión que actúa en la superficie superior, mientras que la superficie inferior se comprime. Después que la muestra gira 90º, los sitios que originalmente estaban en tensión y en compresión no reciben esfuerzo alguno sobre ellos. Después, a una rotación de 180º, el material que estaba originalmente en tensión está ahora en compresión y viceversa. De aquí que el esfuerzo en cualquier punto de la probeta pasa por un ciclo completo que va de cero a máxima tensión, y de cero a máxima compresión. Después de un número suficiente de ciclos, la muestra puede fallar. Generalmente, se ensayan varias muestras a diferentes esfuerzos aplicados y los esfuerzos se grafican en función del número de ciclos que lleva a la ruptura (figura 7.21).

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Figura 7.21.: Diagrama de esfuerzo y número de ciclos a la fractura de un acero de herramientas y de una aleación de Al.

Los dos resultados más importantes de una serie de ensayos de fatiga son la duración a la fatiga para un esfuerzo en particular, y el límite de resistencia a la fatiga para el material. La duración a la fatiga indica cuanto dura un componente cuando un esfuerzo σ se aplica repetidamente al material. Si se va a diseñar una pieza de acero de herramientas que debe soportar 100.000 ciclos durante su vida útil, entonces debe diseñarse de manera que el esfuerzo aplicado sea menor que 90.000 psi (figura 7.21). El límite de resistencia a la fatiga es el esfuerzo por debajo del cual la falla por fatiga nunca ocurre. Para evitar que se rompa una herramienta de acero, se debe asegurar que el esfuerzo aplicado nunca sea mayor que 60.000 psi (figura 7.21). Algunos materiales, incluyendo algunas de las aleaciones de aluminio, no tienen un límite de resistencia real. Para estos materiales, la duración a la fatiga es una consideración más crítica; los esfuerzos aplicados deben ser lo suficientemente bajos, de modo que la falla no ocurra durante la vida útil de componente. A menudo se especifica la resistencia a la fatiga, o esfuerzo por debajo del cual no ocurre la falla durante 500 millones de ciclos de repetición del esfuerzo. Las fisuras o grietas de fatiga se inician en la superficie del material al que se aplica el esfuerzo, donde los esfuerzos son máximos. Cualquier defecto de diseño o de fabricación en la superficie concentra los esfuerzos y propicia la formación de una fractura por fatiga. Algunas veces se obtienen superficies muy pulidas para minimizar la posibilidad de falla por fatiga. La resistencia a la fatiga se relaciona también con la resistencia del material en la superficie. En muchas aleaciones ferrosas o a base de hierro, el límite de resistencia a la fatiga es aproximadamente la mitad de la resistencia a la tensión del material. Esta relación entre ese límite y la resistencia citada es la relación de fatiga:

Re lación de fatiga =

límite de resistencia a la fatiga ≈ 0 .5 resistencia a la tensión

Si la resistencia a la tensión en la superficie del material se incrementa, también aumenta la resistencia a la fatiga. Dra. Stella Ordoñez - Depto. de Ingeniería Metalúrgica - Universidad de Santiago de Chile

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