Para conocer las propiedades de los materiales se someten a multitud de ensayos, los cuales, se pueden clasificar por las siguientes condiciones:1. SEGÚN LA RIGUROSIDAD DEL ENSAYO:

• Ensayos Científicos.- Obtienen valores precisos y reproducibles de las propiedades ensayadas. Ejemplo: Ensayo de tracción.

• Ensayos Tecnológicos o Técnicos de Control .- Pretenden comprobar si laspropiedades del material son adecuadas para una aplicación concreta en unproceso productivo. Ejemplo: Ensayo de flexión del calzado observar si se producedeformación

2. SEGÚN LA NATURALEZA DEL ENSAYO:• Ensayos Químicos.- Permiten conocer la composición cualitativa y cuantitativa del

material, sus enlaces químicos y el comportamiento a agentes químicos• Ensayos Metalográficos.- Permiten el estudio de la estructura interna del material y

determinar tratamientos térmicos y mecánicos sufridos.• Ensayos Físicos.- Permiten determinar propiedades físicas como densidad, punto de

fusión, calor específico, conductividad térmica, eléctrica etc.., además de lasimperfecciones internas externas e internas.

• Ensayos Mecánicos.-Determinan la resistencia del material cuando se somete aesfuerzos. Ejemplos: Tracción, Dureza, Choque, Fatiga, Resiliencia, etc..

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3. SEGÚN LA UTILIDAD POSTERIOR DE LA PIEZA TRAS EL ENSAYO• Ensayos destructivos.- La pieza ensayada queda inservible tras el ensayo. Ejemplo:

Ensayo de Tracción, Fatiga, ….• Ensayos no destructivos.- En ellos se analizan los defectos, estructura cristalina,

imperfecciones del material, composición, etc., pero sin dañar su estrucutura.Ejemplos: Rayos X, Ultrasonidos,…..

4.- SEGÚN LA VELOCIDAD DE APLICACIÓN DE LAS FUERZAS• Ensayos Estáticos.- La velocidad de aplicación de las fuerzas no influye en el

resultado. En algunos de ellos, como el de tracción, la velocidad de aplicación se mantiene por debajo de un cierto límite.

• Ensayos Dinámicos.- En los que la fuerza juega un papel decisivo en el ensayo. Ejemplo: Ensayo de flexión por choque

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Cuando un material es sometido a una tensión se produce unadeformación del mismo.

Si al cesar la fuerza a que se somete almaterial, este recupera su dimensionesoriginales se dice que ha sufrido unadeformación elástica.

Si el material se somete a unadeformación hasta el punto de que no puederecuperar sus medidas originales se diceque ha sufrido una deformación plástica

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Dada una varilla delongitud Lo y secciónSo0 sometida a unafuerza de tracciónsobre su ejelongitudinal F. Sedefine tensión σ comoel cociente entre lafuerza aplicada y elárea de la seccióntransversal de lavarilla. Se mide enN/m2 (Pascal)

AoFo

SoF

== σσ

Cuando se aplica a unavarilla una fuerza de tracciónsobre su eje longitudinal, seprovoca un alargamiento endirección a la fuerza. Estealargamiento unitario recibeel nombre de deformación,que se define como elcociente entre la diferenciade longitud experimentadapor la varilla y la longitudinicial considerada.

Es adimensional

LoL

LoLoL ∆

=−

=ε 100*%Lo

L∆=ε

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Ley de Hooke

)( materialcadaparacteYoungdeMóduloEtagE === αεσ

En la zona de comportamiento elástico de los materiales, lasdeformaciones producidas por un elemento resistente sonproporcionales a las tensiones aplicadas.

E se expresa en kp/cm2, kp/mm2 o N/m2 como σ, dado que ε esadimensional.

Matemáticamente:

lSoloFE

lol

SF

E

∆=

∆=

=

=

**

0

ε

σ

εσ

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Cuando las barras trabajan sometidas a esfuerzos trabajan verticalmente, hay que considerar el peso del propio cuerpo, ya que la magnitud de este puede ser comparable a la propia carga

∫∫+

=+

=

+=⇒==

==∆

=

+=+=

==

l

dxSoE

xSoFdSoE

xSoFdxd

SoExSoF

ESoF

E

dxd

lolol

SoloSoF

SoloSo

SoF

00

max

max

***;

***

***

*

;

****)específico (Peso volumen de unidadpor Peso

superficie de unidadpor Tensión

γδγδ

γεσε

δεδε

γγσ

γσ

δ

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TENSIONES Y DEFORMACIONES AL CONSIDERAR DEL PESO DEL PROPIO ELEMENTO RESISTENTE 2

El

SoElF

SoElSo

SoElF

lSolFSoE

xSolFSoE

dxxSodxFSoE

dxxSoFSoE

l

l l

l

*2*

**;

2****

**

2***

*1

2***

*1

****1

)**(*1

22

2

0

2

0 0

0

γδγ

γ

γ

γδ

γδ

+=+=

=

+=

=

+=

=

+=

=+=

∫ ∫

∫

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Consiste en someter a una probeta normalizada en forma ydimensiones a unas fuerzas de tracción en dirección a su ejelongitudinal hasta romperla.

Durante el ensayo se mide el alargamiento ΔL que experimenta laprobeta al es estar sometida a una fuerza de tracción.

Hay dos tipos de probetas normalizadas: Cilíndricas y prismáticas oplanas.

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PROBETAS DE ENSAYO

MÁQUINA DE ENSAYO DE TRACCIÓN

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http://www.youtube.com/watch?v=2u9TNdcAhwY&feature=player_embedded

El ensayo de tracción compara la fuerza de tracción aplicada al material con elalargamiento, pero para evitar que el resultado del ensayo dependa de las dimensionesde la probeta, y que los datos obtenidos puedan asociarse a probetas de distintostamaños, se representa un diagrama donde se compara la tensión con la deformación.

DIAGRAMA TENSION-DEFORMACION

SoF

=σlo

l∆=ε

Zona elástica (OE). Al cesar las tensiones elmaterial recupera su longitud inicial.

Zona plástica (EU). Superado el límite elástico,el material ya no recupera su longitud original(Alargamientos permanentes)

Si el ensayo se detiene en el punto A, laprobeta recupera la deformación elástica εequedando una deformación remanente oplástica εp

Si se reinicia el ensayo, la nueva curvacoincide con la curva de descarga, haciéndosemayor la zona elástica (endurecimiento pordeformación)

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DIAGRAMA TENSION-DEFORMACION

SoF

=σlo

l∆=ε

Zona de proporcionalidad (OP) . Losalargamientos son proporcionales a losesfuerzos (Ley de Hooke)

E = Módulo de elasticidad o de Young en N/m2

• Zona de no proporcionalidad (PE) .- Lasdeformaciones no son permanentes (laprobeta recupera su longitud inicial al cesar latensión), pero no existe una relación deproporcionalidad entre la tensión y ladeformación.

εσ *E=

En la Zona elástica (OE), se distinguen:

DIAGRAMA TENSION-DEFORMACION

SoF

=σlo

l∆=ε

1. Zona límite de rotura (ER) (dedeformación plástica uniforme).Pequeñas variaciones de tensión provocangrandes alargamientos. Lasdeformaciones son permanentes. El puntoR se denomina límite de rotura y latensión aplicada en dicho punto tensiónde rotura.

1. Zona de rotura (RS) (zona de estricción ode deformación plástica localizada).- Apartir del punto R, aunque se mantengaconstante o baje ligeramente la tensiónaplicada, el material continua alargándose(fluencia) hasta producirse la rotura física

En la Zona plástica (EU), se distinguen:

0

max

SF

R =σ

U

Diagrama de tracción del acero.

Límite de proporcionalidad: σP

Límite de elasticidad: σE

Limite de fluencia: σF

Tensión de rotura:σR

Tensión última: σU

El punto donde comienza elfenómeno de fluencia se llama límitede fluencia y a la tensión aplicada endicho punto tensión de fluencia σF

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http://www.youtube.com/watch?v=ktAi5jiyvPg&feature=player_embedded

DIAGRAMA DE ESFUERZOS-DEFORMACIONES O DIAGRAMA DE TRACCIÓN DE DISTINTOS TIPOS DE MATERIALES

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•UσuTensión última

DIAGRAMA DEESFUERZOS-DEFORMACIONESO DIAGRAMA DETRACCIÓN

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Tensión límite de proporcionalidad (σp).- Tensión a partir de la cual las deformaciones dejan de ser proporcionales a las tensiones

Tensión límite de elasticidad (σE).- Tensión a partir de la cual las deformaciones dejan de ser elásticas y el material no recupera su longitud inicial al cesar la tensión.

Tensión límite de fluencia (σF).- Tensión en la cual el material se deforma rápidamente aún permaneciendo constante la tensión ( σ), o incluso bajando el valor de esta última.

Tensión de rotura (σR).- Es la tensión máxima que soporta la probeta durante el ensayoσR=Fmax/So

Límite elástico convencional o Límite de deformación permanente (σr -0,2%).- Es la tensión que después de actuar durante 10 segundos, produce una deformación permanente de 0,2%

de la longitud inicial.

Tensión última (σU).- Es la tensión que soporta la probeta en el momento de la rotura.© J. Garrigós

Alargamiento de rotura (A).- Es el mayor alargamiento plástico alcanzado por la probeta enel ensayo de tracción.LF = Longitud de la probeta después del ensayo, medida al acoplar las dos partes en quequeda dividida

Estricción y rotura (Z).- Una vez que se ha alcanzado el punto R de máxima resistencia , si elesfuerzo continúa creciendo, se produce en la parte central de la probeta una contracciónmuy acentuada, que se denomina estricción. A partir de ese momento, conforme laestricción aumenta, el esfuerzo total disminuye y la rotura de la probeta tiene lugar para unesfuerzo (Fu) inferior al máximo soportado.

Siendo Su = La sección de la probeta después de la rotura.En el caso de probetas rectangulares : Su=a’*b’

100*%Lo

LoLA F −=

100*%So

SSoZ U−=

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Trabajo de deformación.- Es el trabajo que hay que desarrollar para conseguir la rotura de laprobeta. Este concepto, también se puede interpretar como la capacidad que tiene unmaterial de absorber un trabajo, el cual puede ser útil, por ejemplo, para conocer elcomportamiento de las piezas de un vehículo en caso de colisión.Viene dado por la expresión indicada, y representa el

área bajo la curva Fuerza- Alargamiento

Límite de pérdida de proporcionalidad (σp 0,2%).- Es elvalor de la tensión cuando se provoca una deformaciónno proporcional del 0,2 %

dLFWd *∫=

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Para el cálculo de la tensión (tensión aparente) aplicada a la probeta durante el ensayo detracción se emplea la expresión:

Siendo F la fuerza aplicada y So la sección inicialSin embargo, a medida que transcurre el ensayo la sección de la probeta va disminuyendopaulatinamente y, por tanto, la tensión querealmente soporta , llamada tensiónverdadera es:

Siendo S la sección en cada instante, la cualalcanza su valor mínimo en la zona deestricción .Curva 1: Curva de tracción aparenteCurva 2: Curva de tracción verdadera

SoF

=σ

Curva de tracción verdadera 1

SF

V =σ

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La deformación, denominada deformación aparente; sufrida por la probeta durante elensayo se utiliza la expresión

Ahora bien, mientras se produce el ensayo la longitud de la probeta se va incrementando ypor tanto la deformación se deberá medir respecto a la longitud que presenta en cadainstante y no frente a la longitud inicial

De este modo, la deformación verdaderavendrá dada por la expresión:

L= Longitud de la probeta en cada momentoCurva 3: Representa las magnitudes σ -εvCurva 4: Representa las magnitudes σv -εv

inicialLongitudLolongituddeIncrementoLLo

L==∆

∆= ;ε

Curva de tracción verdadera 2

dLd

LL

Vδ

ε =∆

=

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La dureza es la resistencia que ofrece un material a ser rayado openetrado por otro.

ENSAYOS DE DUREZA AL RAYADO

DUREZA MARTENSESCAL A MOHS

Consiste en rayar con un cono dediamante la superficie del materialcuya dureza se quiere medir. Ladureza de rayado Martens es inversaa la anchura de la raya obtenida. Amayor anchura menos dureza

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Para determinar la dureza a lapenetración de un material seemplea un pequeño penetradorque se presiona sobre la superficiedel material a ensayar encondiciones normalizadas decarga y velocidad de aplicación dela misma.

En los ensayos se mide laprofundidad o tamaño de la huellaresultante, obteniéndose unsignificado relativo que hay quecomparar con durezas patrón.

ENSAYOS DE DUREZA A LA PENETRACIÓN

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Ensayo de dureza Brinell (HB) (UNE 7-422-85)

fDS

SFHB

**)(mm casquete del ÁreaS

(kp) kgf en aplicada CargaFBrinell DurezaHB

:donde

2

π==

==

=

Consiste en comprimir una bola de acero templado, de undiámetro determinado contra el material a ensayar, pormedio de una fuerza (F) durante un tiempo determinado.

Observando la imagen hayamos, aplicando Pitágoras:

2

04

222

22

22

222

dDDf

dDff

fDdD

−±=

=+−

−=

−

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Ensayo de dureza Brinell (HB) (UNE 7-422-85)Condiciones para el ensayo Brinell:

La dureza Brinell se denomina HB….. Ejplo. HB322

No se puede hacer el ensayo a menos de 10 mm del borde de la pieza.

Los tiempos de aplicación varían entre 15 s en materiales blandos hasta 30 minutosen aceros.

Se recomiendan, para ensayos con bolas de 10 mm de diámetro cargas de: 3000kp para hierros y aceros, 1000 kp para aleaciones de Fe y Al y 500 kp para metales yaleaciones blandos

El diámetro de la huella debe cumplir la regla: D/4 < d < D/2

La relación entre la carga aplicada y el diámetro de la bola al cuadrado se denominaconstante de ensayo F/D2=K y se deben adoptar unas constantes de :

• K=30 para Hierros y Aceros

• K= 10 Cobre, Bronces y Latones

• K=5 para Aleaciones ligeras

• K=2,5 para Estaño y Plomo © J. Garrigós

)(mm huella la de Superficie S(kg) penetrador al aplicada

VickersdurezadeGradoHV

:

2=

==

=

FuerzaF

dondeSFHV

dF

dFsen

sendFHV

ahídesendS

SFHV

senlS

dlllld

senl

senllhlS

senlh

hlsen

hlhlS

*8543,1º*68*2

º68*2

:º68*2º68

2;*2

º68º68*2**2**2

º68*2;2/º68

**22*4

2

22

222222

2

===

=

=

=

==+=

===

==

==

Se utiliza como penetrador una punta piramidal dediamante de base cuadrangular y ángulo en el vértice entrecaras de 136º . Viene definido por:

)(mm huella la de Superficie S(kg) penetrador al aplicada

VickersdurezadeGradoHV

:

2=

==

=

FuerzaF

dondeSFHV

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Frente al Brinell presenta la ventaja de poderse utilizar en materiales duros o blandos y con espesores de pieza muy pequeños(hasta 0,05 mm)

Se utilizan cargas entre 1 y 120 kg. Usualmente se emplean 30 kg

El espesor de la probeta a de ser mayor s>1,2*d. Recomendado s>1,5*d

Temperatura de ensayo 23ºC ± 5ºC

La nomenclatura utilizada utiliza la cifra obtenida seguida del símbolo HV y de la carga empleada. Ejemplo 650 HV 30

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Ensayo de dureza Rockwell UNE 7-424-89

El método Rockwell mide laprofundidad permanenteproducida al actuar unadeterminada carga sobre unpenetrador de diamante deforma cónica con la puntaesférica (para materiales duros)o sobre un penetrador de aceroen forma esférica (paramateriales blandos).

Se basa en la resistencia queoponen los materiales a serpenetrados, se determina ladureza en función de laprofundidad de la huella.

© J. Garrigós

Ensayo de dureza Rockwell UNE 7-424-89

REALIZACIÓN DEL ENSAYO

1. Se aplica una carga de 10 kg al penetrador (cono o bola) que provoca unapequeña huella de profundidad h1, que se toma como referencia, colocando elcomparador de la máquina a cero.

2. A continuación se hace actuar la máquina con unas cargas adicionales de140 kgf para el cono y 90 kgf para la esfera, durante un tiempo de 3 a 6segundos, tras el cual el penetrador retrocede dejando una huella h1 +e.=h2

3. La dureza Rockwell se expresa por el valor de diferencia respecto a unnúmero de referencia (100 para el cono y 130 para la esfera). De este modo,se dice:

Para el penetrador de cono la dureza Rockwell HRC = 100 – e

Para el penetrador de bola la dureza Rockwell HRB = 130 –e

La escala “e” tiene una longitud de 0,2 mm y esta graduada en unidades de 2 micrometros

© J. Garrigós

TENACIDADLa tenacidad (propiedad inversa a la fragilidad) se define como la capacidad que tiene un material para almacenar energía en forma, por lo general, de deformación plástica antes de romperse.Un material muy tenaz se deforma mucho antes de la rotura, en tanto que, un material muy frágil o poco tenaz apenas experimenta deformación antes de la rotura.

Los ensayos de resistencia al impacto pueden ser: Tracción por choque. Flexión por choque.

Consiste en realizar un ensayo de traccióncon una velocidad de aplicación alta. Deeste modo el área del diagrama F-ΔLrepresenta el trabajo necesario para rompera tracción el material. Este trabajo dividoentre el volumen de la probeta nos da unareferencia de su tenacidad

© J. Garrigós

Ensayo de flexión por choqueEntre los ensayos de flexión por choque, el mas utilizado es el ensayo deresiliencia (UNE 7-475-92)

Consiste en golpear y romper una probeta de determinadas dimensiones ycalcular el valor de la energía absorbida.

Péndulo de Charpy© J. Garrigós

Ensayo de resiliencia. UNE 7-475-92

La energía absorbida por la ruptura se llama resiliencia y su unidad en el sistema internacional es el J/m2

2

2

2

m en aentalladur la de parte la en probeta la de Sección

J/m en aResilienci

m en probeta laromper de después martillo el alcanza que Alturahm en martillo el cae que la desde Altura

m/s 9,81 terrestre Gravedad g

kg en martillo del Masa)(**

)(

=

=

==

==

=−=

=

S

H

mhHgmEp

KCUoKCVS

Ep

ρ

ρ

Las probetas del ensayo se encuentran normalizadas y suelen tener 55 mm de longitud con una sección cuadrada de 10 mm de lado. En el punto medio se encuentra la entalla que puede ser en U o en V.

* En la entalla en V el ángulo es de 45º y la profundidad de corte 2mm.

• En la entalla en U, la profundidad es de 5 mm y su ancho de 2 mm

© J. Garrigós

Ensayo de resiliencia. UNE 7-475-92

La resiliencia también puede obtener por la expresión:

péndulodelLongitudLgmpéndulodelPesoP

mmSentallasuporprobetaladeÁreaSo

mJsiliencia

SoLP

SW

===

==

=

−==

*)80(

/Re

)cos(cos**

2

2

12

0

ρ

ααρ

En muchos materiales existe un intervalo detemperaturas, conocido como zona de transición, enel que al disminuir la temperatura se produce unadisminución considerable de la resiliencia.El conocimiento de la zona de transición es muy importante para las condiciones de trabajo del material© J. Garrigós

Ensayo de resiliencia.

Demostración fórmula:

SoLP

SW )cos(cos** 12

0

ααρ

−==

( )

( ) ( )So

LPSo

LZLZPSo

LZLZPSo

HHPLZyZH

LZHsen

senLZyZHSo

HHPSo

HHgmSo

HgmHgmSo

EESW PP

1cos2cos**2cos*1cos**

)2cos*(1cos**)21(2cos22

1cos11cos)90cos(

*11

)21(*)21(*2**1**21

0

ϕϕϕϕρ

ϕϕρ

ϕ

ϕϕϕϕϕ

ρ

−=

+−−=

=−−−

=−

=

−=−=

−=

=−=++=+=

−=

−=

−=

−==

© J. Garrigós

Concepto y ensayo de fatigaLa mayor parte de los órganos de las máquinas, estructuras metálicas, etc..,están sometidas a la acción de esfuerzos variables que se repiten concierta frecuencia.

Se ha comprobado experimentalmente que es posible producir la rotura de unmaterial, con cargas variable, inferiores a la de rotura por tracción, eincluso al límite elástico, siempre que actúen durante un tiempo suficiente. Aeste fenómeno se le conoce con el nombre de fatiga

El proceso de rotura por fatiga se desarrolla a partir del inicio de la grieta y se continúa con supropagación y la rotura final

ENSAYO DE FLEXIÓN ROTATIVA

© J. Garrigós

Concepto y ensayo de fatigaLos primeros ensayos de fatiga los inicio Whöler en 1852para conocer las causas de los ejes de los ferrocarrilesbávaros, y enunció las siguientes leyes:

1.- Las piezas metálicas pueden romperse bajo esfuerzounitarios inferiores a la carga de rotura, e incluso a sulímite elástico, si el esfuerzo se repite suficiente númerode veces.

ENSAYO DE FATIGA: DIAGRAMA DE WÖHLER

En el diagrama se observa, que a medida que sube la tensión o esfuerzo a que sesomete al material el numero de ciclos que soporta antes de la rotura en menor. Comoes normal, cada material tiene propia curva de fatiga.En los aceros y aleaciones de titanio existe un valor de Δσ por debajo del cual no

rompen por fatiga y suele oscilar entre 0,4 y 0,5 su carga de rotura. Los materiales dehierro no presentan este límite y de ahí que se especifique el dato de la amplitud de latensión que no provoca rotura por fatiga par 10 o 100 millones de ciclos

2.- La rotura de un material no tiene lugar por fatiga, sea cual sea el número desolicitudes, si la diferencia entre el esfuerzo máximo y el mínimo es inferior a un valorlímite denominado límite de fatiga , el cual es función del esfuerzo medio a que se hasometido al material.

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ENSAYOS TECNOLÓGICOSNo pretenden obtener valores cuantitativos numéricos, sino únicamenteestudiar el comportamiento de un material ante un fin al que se destina Leerpreguntas 6 y 7 en el libro

• Estudia la plasticidad delmaterial.

• La zona más crítica es la parteexterior de la curva dado que losesfuerzos de tracción son máselevados

• El ensayo puede ser en frío o encaliente

• Consiste en empujar un vástagosobre una chapa hasta que aparece laprimera grieta.

• El grado de embutición secomprueba midiendo la penetraciónen mm del punzón o vástago hastaque aparece la primera grieta.

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La verificación de materiales por ultrasonidos utiliza la propagación delsonido, tanto en sólidosComo en líquidos, para realizar un control no destructivo de cualquiermaterial que sea susceptible de ser atravesado por estos.Las ondas sonoras son fenómenos vibratorios que se transmiten a travésde un medio elástico pero no en el vacío. Los ultrasonidos tienenfrecuencia superiores a los 20.000 Hz

fc

=λHz en Frecuenciaf

m/s en sonido del npropagació de Velocidadcm en npropagació de Longitud

===λ

El control de una pieza puede realizarse:1. Midiendo el tiempo recorrido por el

ultrasonido en recorrer la pieza examen (no es muy usual)

2. Midiendo la intensidad ultrasónica del haz saliente de la pieza (normalmente empleado)

a. Por transmisión.b. Por Reflexiónc. Método de impulso-eco (El más usual)

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