Universidad Tecnológica de Jalisco

Mantenimiento Industrial

Materia: Ensayos destructivos

Tarea: Reporte de investigación de ensayos destructivos

Nombre: Lugo España Joaquín

Grupo: 8vo. A Turno: Matutino

ENSAYOS DESTRUCTIVOS

Los ensayos destructivos son pruebas que a las que se someten los materiales con el fin de comprobar sus propiedades como dureza, tenacidad, resistencia mecánica, ductilidad, y así poder verificar la calidad de dicho material y hacer una correcta aplicación de ellos.

Dentro de los ensayos destructivos de propiedades mecánicas podemos diferenciar: los ensayos destructivos estáticos, ensayos destructivos dinámicos y los ensayos tecnológicos.

Los ensayos destructivos estáticos tienen la carga estática o progresiva. Los ensayos destructivos dinámicos su carga no es ni estática ni progresiva. Los ensayos tecnológicos se utilizan para comprobar si un material es útil o no

para una aplicación en concreto, cuando por medio de los ensayos científicos no es posible realizar estas comprobaciones o resultan demasiado caras.

Algunos de estos ensayos son:

Ensayo de dureza Ensayo de impacto Ensayo de tensión Ensayo de fatiga Ensayo de flexión Ensayo de compresión Ensayo de torsión Ensayo de pandeo Ensayo de fractura Ensayo de sanidad de soldaduras

Ensayo de Dureza

(Estático)

DEFINICIÓN

La dureza es la resistencia que ofrece un material a la deformación plástica. Presenta valor empírico, su valor es función del método utilizado.

Existen distintos tipos de durezas:

Ensayo Martens. Ensayo Shore. Ensayo Mohs. Ensayo Brinell. Ensayo Vickers. Ensayo Rockwell. Ensayo Poldi. Ensayo Knoop.

Ensayo Martens

El ensayo Martens se basa en la medida de la anchura de la raya que produce en el material una punta de diamante de forma piramidal y de ángulo en el vértice de 90°, con una carga constante y determinada. Se aplica sobre superficies nitruradas. Se mide a en micras y la dureza Martens viene dada por:

Ensayo Shore

El ensayo Shore se basa en la reacción elástica del material cuando dejamos caer sobre él un material más duro. Si el material es blando absorbe la energía del choque, si el material es duro produce un rebote cuya altura se mide. La práctica se realiza en un esclerómetro o escleroscopio, el aparato se gradúa dividiendo en 100 partes la altura media del rebote en una pieza de 7 gramos de acero duro templado y prolongando la escala en 40 divisiones más, iguales a las anteriores, para poder realizar medidas en materiales extraduros. La ventaja del esclerómetro o escleroscopio de Shore es que no produce prácticamente ninguna huella en el material ensayado, por lo que se utiliza para medir la dureza superficial de piezas terminadas, como cilindros de laminación, para mapas de dureza de una misma pieza, piezas de pequeño tamaño pero siempre del mismo material, etc.La superficie a ensayar ha de estar totalmente plana, perpendicular, limpia y pulida, siendo recomendado hacer tres ensayos y cada vez en sitios diferentes, debido a el endurecimiento superficial producido por el choque.

Se mide la dureza por el método Shore en función de la altura que alcanza en el rebote un cuerpo al caer de una altura fija sobre la superficie del material que se ensaya. El aparato se fija a la pieza que se va a ensayar con un pedestal que lleva adecuado para este fin. Se aspira el martillo haciendo el vacío con una pera, y una vez en la parte más alta, se deja caer. Al rebotar el martillo queda retenido en su posición más alta, para hacer cómodamente la lectura.

Esclerómetro o escleroscopio

Ensayo Mohs

El ensayo de Mohs se basa en la capacidad que tiene una sustancia sólida para resistir una deformación o la abrasión de su superficie. En mineralogía, la dureza se define como la resistencia al rayado de la superficie lisa de un mineral. Una superficie blanda se raya con más facilidad que una dura, de esta forma un mineral duro, como el diamante, rayará uno blando, como el acero, mientras que la situación inversa nunca se producirá. La dureza de un mineral determina en gran medida su durabilidad.La dureza relativa de los minerales se determina gracias a la escala de dureza de Mohs, nombre del mineralogista alemán Friedrich Mohs que la ideó. Está formada por diez minerales comunes y están clasificados en orden decreciente de dureza recibiendo un índice: talco 1, yeso 2, calcita 3, fluorita 4, apatito 5, ortosa (feldespato) 6, cuarzo 7, topacio 8, corindón 9 y diamante 10. Industrialmente se ha conseguido alcanzar el nivel 11 de dureza, con el diamante negro y el borazón.

La dureza de una muestra se obtiene determinando qué mineral de la escala de Mohs lo raya. Cada número puede rayar todos los que tiene listados debajo. Por ejemplo, la galena, que tiene una dureza de 2,5, puede rayar el yeso y es rayado por la calcita. El granito ofrece variedades desde el 5 hasta el 8 y las calizas 3 al 4. Los escalones no tienen el mismo valor, por ejemplo la diferencia entre durezas 9 y 10 es mucho mayor que entre las durezas 1 y 2. El diamante es 140 veces más fuerte que el corundum.

Se ha de tener cuidado con experimentar sobre una superficie fresca, ya que las partes alteradas son más blandas y confirmar la experiencia en 2 sentidos, con el mineral A, rayar el B y viceversa.

Ensayo Brinell

El ensayo Brinell HB consiste en una prensa mediante la cual aplica una presión (P) correspondiente para comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, sobre un material a ensayar, por medio de una carga y durante un tiempo también conocido. Después, por medio de una regla graduada o un microscopio provisto también de un retículo graduado, se mide el diámetro de la huella que la bola ha dejado en el material y mediante la fórmula o la tabla, se halla el número Brinell.Si la huella resulta ovalada, se toma la medida de los diámetros extremos, teniendo mucho cuidado al realizar el ensayo: 1. Que la superficie de la pieza esté limpia, sea perfectamente plana, normal al eje de aplicación de la carga y lo más homogénea posible. 2. Que el espesor de la pieza sea, por lo menos, doble del diámetro de la huella. 3. Que la distancia del centro de la huella al borde de la pieza sea, por lo menos, cuatro veces el diámetro de la huella.La bola que se utiliza es de aproximadamente 10 milímetros de diámetro. La bola es forzada a penetrar el material que está siendo probado durante un tiempo determinado de 15 segundos, y después se retira la presión de la bola para medir la huella (S). Si el material es muy duro, la bola podrá ser de carburo de tungsteno, mientras que una bola de acero de fricción es suficiente para las sustancias más suaves. La cantidad de presión también varía en función del material, pero una cantidad estándar de presión para las sustancias más duras es 3000 kilogramos (6614 libras). No se utilizan los ensayos Brinellpara durezas superiores a 500 en aceros templados, porque se deformaría la bola.La fórmula se divide la fuerza utilizada por la superficie de la huella.

D = diámetro de la bola d = diámetro de la huella

Ensayo Vickers

El ensayo Vickers HV es como el ensayo Brinell, con la diferencia que en el ensayo Vickers el cuerpo penetrador tiene forma de pirámide cuadrangular de diamante, cuyo ángulo en el vértice es de 136°. Es un método muy difundido, ya que permite medir dureza en prácticamente todos los materiales metálicos independientemente del estado en que se encuentren y de su espesor. Se basa en el principio de calcular el valor de dureza relacionando la fuerza de aplicación sobre la superficie de la impresión en el material y su campo de aplicación es de muestras medianas.

El equipo consiste en una máquina que soporta la probeta y permite un contacto gradual y suave entre ésta y el penetrador, bajo una carga predeterminada (más ligera que la utilizada en el ensayo Brinell) y que se aplica durante un periodo de tiempo dado. Sus cargas van de 5 a 125 kilopondios (de cinco en cinco). El diseño de la máquina debe ser tal que no tenga balanceos o movimientos laterales de la probeta o del penetrador, mientras se aplica o retira la carga, se utiliza un microscopio de medición que generalmente va montado en la máquina.

El penetrador es aplicado perpendicularmente a la superficie cuya dureza se desea medir, bajo la acción de una carga P. Ésta carga es mantenida durante un cierto tiempo, después del cual es retirada y medida la diagonal d de la impresión que quedó sobre la superficie de la muestra. Con este valor y utilizando tablas apropiadas se puede obtener la dureza Vickers, que es caracterizada por HV y definida como la relación entre la carga aplicada (expresada en Kgf) y el área de la superficie lateral de la impresión. Puede medir dureza superficial por la poca profundidad de la huella.

La huella vista desde arriba es un cuadrado y se calcula partiendo de la fuerza en Newton N y de la diagonal en mm2 de la huella de la pirámide según la fórmula:

P: carga aplicada en N.D: diagonal media de la huella en mm.La diagonal d es el valor medio de las diagonales de la huella d1 y d2.

Ensayo Rockwell

El ensayo Rockwell HR se basa en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados, pero en lugar de determinar la dureza del material en función de la superficie de la huella que deja el cuerpo penetrante, se determina en función de la profundidad de ésta huella. El número de dureza encontrado es una función del grado de penetración de la pieza de ensayo por la acción de un penetrador bajo una carga elástica dada. La diferencia de este ensayo es que los penetradores y las cargas son menores, de ahí que la huella resultante sea menor y menos profunda.

Consiste en una máquina especialmente diseñada que aplica la carga a través de un sistema de pesas y palancas. Los cuerpos penetrantes son: un diamante en forma de cono de 120° = b 1°, con la punta redondeada, con radio de 0,2 ± 0,01 mm, y bolas acero templado de diferentes diámetros (1/8" y 1/16", y las menos empleadas 1/2" y 1/4"). El valor de la dureza se lee directamente sin necesidad de cálculos, en un indicador de caratula con dos graduaciones, una escala con números negros (con 100 divisiones), para las mediciones con punta de diamante o también llamado penetrador Brale y otra escala con números rojos (con 130 divisiones), para las mediciones realizadas con bolas.

La medición obtenida es un número arbitrario que está inversamente relacionado con la profundidad de la huella. En total existen veintiuna escalas para veintiuna combinaciones de penetradores y cargas. Se utilizan cargas de 60, 100 y 150 Kg., para materiales gruesos, y de 15, 30 y 45 Kg., para materiales delgados. Un factor muy importante es elegir bien el tipo y tamaño de penetrador, y la carga que se le aplique a la probeta, en función de la escala Rockwell que vayamos a utilizar.

Es un método muy rápido y preciso, pudiendo realizar el ensayo operarios no especializados. Además, las huellas son más pequeñas y es aplicable para materiales que posean durezas que rebasen método Brinell. Permite medir durezas en aceros templados. Tiene el inconveniente de que si el material no asienta perfectamente sobre la base, las medidas resultan falseadas. Con respecto a la forma de las piezas, si son cilíndricas, de diámetro inferior a 30 mm, debe introducirse un factor de corrección. El espesor mínimo que deben tener las piezas o probetas para que no resulte falseada la lectura por deformación, es diez veces la penetración del cono o de la bola.11Las cargas se aplican en dos tiempos. Primero se aplica una carga de 10 Kg o 3 Kp, poniendo a continuación el indicador que mide la penetración a cero. Después de completa la carga, hasta llegar a la carga total del ensayo y se mide la dureza. Se determina deduciendo del número 100, si se ensaya con punta de diamante, y del 130 si se ensaya con bola, las unidades de penetración permanente medidas en 0,002 de milímetro. Esto se hace para que a los materiales más duros correspondan más unidades de dureza que a los blandos, y ocurriría lo contrario si la dureza se diese por las unidades de penetración, a mayor penetración, más unidades, el material sería más blando.

Por ejemplo: si la carga es de 100 Kg, se deberá poner 90 Kg más de los 10 de aproximación, y se quita después la carga adicional (los 90 Kg).

La carga total P es aplicada sobre el penetrador en dos etapas: una previa Po y una posterior P1 tal que:

P= Po+P1Inicialmente el cono penetra en la superficie una cantidad h0 sobre la acción de la carga P0 que se mantendrá hasta el fin del ensayo. Esta penetración inicial permite eliminar la influencia de las condiciones superficiales.

Ensayo Rockwell con cono Ensayo Rockwell con bola

La denominación de los ensayos de Rockwell se hace por las iniciales HR, seguidas de una letra minúscula que define la escala. Por ejemplo, 60 Rockwell de la escala c se debe anotar 60 HRc.

n HR x

Dónde: n es la carga aplicada en kg, HR es el identificador del ensayo Rockwell, la letra que va seguida de HR y es la letra correspondiente a la escala usada. Por ejemplo para un material que se le ha aplicado un esfuerzo de 60 kg y se ha usado la escala b sería 60 HR. Las cargas vienen dadas por el tipo de dureza Rockwell a realizar (en Kg.).

Ensayo Poldi

El ensayo Poldi es una variante de la dureza Brinell, que consiste en un equipo portátil, donde el impulso se comunica directamente a un dardo de acero, golpeado con un martillo aplicado directamente con la mano. Debemos colocar el material muestra (probeta de comparación o patrón cuya dureza es conocida) entre el dardo de acero y la bola. El efecto ha de ser lo suficientemente uniforme para servir de base a la medida.Se mide el diámetro de la huella marcada por una bola. Se diferencia del Brinell en que la presión no se efectúa progresivamente, sino instantáneamente por choque y que la carga que actúa es variable. La bola que tiene el aparato se apoya por un lado sobre la pieza a ensayar y por el otro sobre la barra patrón. Al dar un golpe con el martillo, se marca una huella en cada una de las superficies, si ambos materiales tienen la misma dureza las huellas serán del mismo diámetro, si la pieza a ensayar es más dura su huella será menor. Midiendo ambos diámetros podemos por medio de una tabla conocer la durezaBrinell del material que se ensaya. Es independiente del tiempo de carga.Si Hp es la dureza del patrón y H de la pieza, y Sp es la superficie de la huella patrón y S la de la pieza a ensayar, se obtiene:

XXX HBS D POLDI

Dónde XXX es la carga aplicada en kg.

Ensayo Knoop

El ensayo Knoop es similar al ensayo Brinell o Vickers, lo que varia es el penetrador, y se utiliza para medir la dureza en valores de escala absolutas y se valoran con la profundidad de señales grabadas sobre un material mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza estándar. El penetrador Knoop produce una huella relativamente poco profunda (1/30 de la longitud de de la diagonal mayor), cuando se compara con una carga realizada por penetrador Vickers.Consiste en presionar en un punto con un diamante piramidal sobre la superficie pulida del material a probar con una fuerza conocida, durante un tiempo de empuje determinado, y la hendidura resultante se mide usando un microscopio. Se emplea un penetrador de diamante piramidal de base rómbica de geometría con relación entre diagonales de 1:7.

Sus ángulos entre aristas son a = 130° y b =172° 30’, de donde obtenemos:

Donde: L es la longitud de la hendidura en su eje largo, Cp es el factor de corrección relativo a la forma de la hendidura, idealmente 0,070279 y P es la carga.

XXX HK P/t

Entre las ventajas de esta prueba está que se necesita sólo una cantidad de muestra muy pequeña, y que es válida para un rango muy amplio de fuerzas. La principal desventaja es la dificultad de tener que usar un microscopio para medir la incisión (con una precisión de 0.5 micrómetros), y el tiempo necesario para preparar la muestra y aplicar el penetrador o hendidor. Se usa para durezas normales (P = 1-5 Kp), superficiales (P = 1/2-1 Kp) y micro durezas (P = 10 a 500 gr.). Se emplea sólo en laboratorio, para medir la dureza de láminas muy delgadas, incluso de depósitos electrolíticos.

Ensayo de resistencia al impacto.

Una propiedad importante de los metales es la tenacidad que se define como la habilidad de un metal para absorber energía. De acuerdo con el ensayo de tensión, la tenacidad de un metal puede describirse como el área bajo la curva. Esfuerzo-Deformación, este es un valor para la cantidad de energía que puede ser absorbida por un metal cuando se aplica una carga gradualmente.Cuando se habla de la capacidad de un metal para absorber energía, se debe entender que el metal absorbe la energía por etapas: primero hay una cierta cantidad de energía requerida para iniciar la fractura. Después, es necesaria energía adicional para que la fractura se propague.Aunque existen numerosos tipos de pruebas de impacto, el más comúnmente utilizado es la prueba Charpy “V”, es espécimen estándar usado, es una barra cuadrada de 55mm de longitud por 10mmX10mm.Una de las caras longitudinales del espécimen muestra una ranura en “V” de 2mm de profundidad, en la base de la ranura presenta un radio de 0.25 mm. El maquinado de este radio es extremadamente crítico, porque cualquier inconsistencia resultaría en drásticas variaciones de los resultados obtenidos.La máquina de impacto Charpy consiste principalmente en las siguientes partes:      a)      Péndulo      b)      Palanca de liberación      c)       Escala      d)      Aguja indicadora      e)      Yunque      f)       Martillo

La muestra se coloca horizontalmente en un patrón especial que garantiza estrictamente la posición de la incisión (ranura, entalla) en la parte media del vano entre los apoyos. El impacto es aplicado desde el lado opuesto a la incisión, en el plano perpendicular al eje longitudinal de la muestra. El péndulo se fija en la posición superior inicial a la altura ha de 1,6 m, lo que corresponde a una velocidad del cuchillo del péndulo, en el momento del impacto de 5,6 m/s. Luego la uña de fijación se retira, el péndulo cae libremente por efecto de su propia gravedad aplicando un impacto a la muestra, que la encorva y destruye elevándose en relación al eje vertical del péndulo Charpy en un ángulo b. Este ángulo es tanto menor, cuanto mayor es la energía aplicada en el proceso por el péndulo para la deformación y destrucción de la muestra. 

Por medio de la escala, se mide el ángulo de elevación del péndulo y directamente se lee la energía consumida en el proceso (la escala del indicador esta graduada en kilopondios por metro kp×m). Las relaciones energéticas usadas se muestran aquí. Una parte de la energía del impacto es empleada en la sacudida del péndulo y del bastidor, para vencer la resistencia del aire, en el roce de los cojinetes y del dispositivo de medición, en la deformación de la muestra cerca de los apoyos y bajo el cuchillo, en la transmisión de energía a las fracciones de la muestra y en la deformación elástica de la barra del péndulo. La influencia de estos factores, que hacen variar las mediciones hasta en un 30% de un péndulo a otro pueden ser minimizadas restando la influencia de los factores cuantificables o medibles. En otras palabras, se aconseja restar de la energía mostrada por el indicador Ei la energía imprimida a las fracciones de probeta en forma de energía cinética Ek (este dato puede calculado aproximadamente), y la energía disipada por fricciones Ef (ésta puede ser medida experimentalmente). De esta manera, la energía aproximada, usada sólo para la destrucción de la probeta Er , será: 

 Ef., energía disipada por fricciones, debe ser medida antes de cada ensayo, para esto se deja caer libremente el péndulo, sin instalar probeta en los apoyos, y se anota la energía mostrada por el indicador. Ek, energía cinética necesaria para el desplazamiento de las fracciones de probeta luego de la rotura, puede ser calculada:

Donde m es la masa de la probeta y v es la velocidad de las fracciones, que se asume igual al velocidad del péndulo en el momento del impacto (v =5,6 m/s). El estándar ASTM E23-72 define el ensayo de barras ranuradas al impacto como un ensayo por el cual se observa el comportamiento del metal cuando está sujeto a la aplicación de una carga única que genera un estado de esfuerzos multiaxial asociado a la ranura, en conjunto con altas ratas de carga y en algunos casos altas o bajas temperaturas.

ENSAYO DE TENSIÓN

El ensayo de tensión es usado para medir la resistencia de un material cuando es sometido a una fuerza cuasi estática aplicada de manera axial. De esta manera se determinaran las propiedades de un material por medio de una muestra, en la cual se busca determinar hasta su última resistencia implicando con esto su deterioro o destrucción. Este ensayo consiste en medir la deformación que sufre la muestra a medida que se aplica la fuerza gradualmente, con el fin de conocer ciertas propiedades mecánicas de materiales como su resistencia, rigidez y ductilidad.

Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, es necesario efectuar ensayos que nos permitan medir su comportamiento en distintas situaciones. El ensayo de tensión o tracción es de gran importancia para medir la resistencia a la tensión de materiales este consiste, en colocar una probeta en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil.

Dimensiones probetas circularesG=longitud calibrada 50 mmD= diámetro sec calibrada 13mmR= radio zona transición 10mmA= longitud zona reducida 60mmL= longitud total aprox 125mmP= longitud zona sujeción 35mmC= diámetro zona sujecion 20mm

Esfuerzo y deformación ingenieriles

Los resultados de un solo ensayo se aplican a todos los tamaños y secciones transversales de especímenes de determinado material, siempre que se convierta la fuerza en esfuerzo, y la distancia entre marcas de calibración se convierta a deformación. El esfuerzo ingenieril (lb/pul^2) y la deformación ingenieril (pul/pul) se definen con las siguientes ecuaciones:

Esfuerzo ingenierilσ=FA0

(Pa)

Deformación ingenieril Ɛ=l−l0l0

Donde: F=fuerza aplicada.A0 = área transversal L= longitud finalLo= longitud inicial

Diagrama de esfuerzo-deformación

El Diagrama Esfuerzo – Deformación es utilizado cuando se lleva a cabo el ensayo de Tensión. Este tipo de graficas se pueden hacer con los datos calculados esfuerzo-deformación ingenieriles, o con los datos correspondientes a esfuerzo – deformación reales.

En la curva podemos distinguir dos regiones:

Zona elástica: La región a bajas deformaciones (hasta el punto P), donde se cumple la Ley de Hooke:σ=E∗ε (E = modulo elástico).

Zona plástica: A partir del punto E. Se pierde el comportamiento lineal, el valor de tensión para el cual esta transición ocurre, es decir, se pasa de deformación elástica a plástica, es el Límite de Elasticidad, σy, del material.

Deformación elástica.

En esta zona las deformaciones se reparten a lo largo de la probeta, son de pequeña magnitud y, si se retirara la carga aplicada, la probeta recuperaría su forma inicial. Ley de Hooke: Aplica solamente a la zona elástica de los materiales y dice que el esfuerzo axial (σ) es directamente proporcional a la deformación unitaria axial (ξ) y que la constante de proporcionalidad entre los dos es el módulo de elasticidad.σ=E∗ε

Deformación plástica

Definimos como plasticidad a aquella propiedad que permite al material soportar una deformación permanente sin fracturarse. Todo cuerpo al soportar una fuerza aplicada trata de deformarse en el sentido de aplicación de la fuerza. En el caso del ensayo de tensión, la fuerza se aplica en dirección de su eje y por eso se denomina axial, la probeta se alargara en dirección de su longitudResistencia a la tensiónLa Resistencia a Tensión es la tensión en el máximo del diagrama tensión-deformación nominal. Esto corresponde a la máxima tensión que puede ser soportada por una estructura a tracción; si esta tensión es aplicada y mantenida, se producirá la rotura. Hasta llegar a este punto, toda la deformación es uniforme en la región estrecha de la probeta. Cuando se alcanza la tensión máxima, y se mantiene la fuerza sobre la probeta esta posteriormente se fracturara. Esta la podemos calcular así:

σ= FA0

(Pa)

Fluencia o cadencia:

Es la deformación brusca de la probeta sin incremento de la carga aplicada. Este esfuerzo se da en el límite de la zona de deformación elástica y la zona de deformación plástica.

Ductilidad

Es una medida del grado de deformación plástica que puede ser soportada hasta la fractura. Un material que experimenta poca o ninguna deformación plástica se denomina frágil. La ductilidad puede expresarse cuantitativamente como alargamiento relativo porcentual, o bien mediante el porcentaje de reducción de área. El alargamiento relativo porcentual a rotura, %EL, es el porcentaje de deformación plástica a rotura.

%EL=( l−lol )∗100

Modulo de elasticidad o de Young

Es la pendiente de la curva esfuerzo-deformación en su región elástica. Esta relación es la ley de Hooke:

E=σ / Ɛ

TenacidadLa tenacidad de un material es un término mecánico que se utiliza en varios contextos; en sentido amplio, es una medida de la capacidad de un material de absorber energía antes

de la fractura. La geometría de la probeta así como la manera con que se aplica la carga son importantes en la determinación de la tenacidad.

Ensayo de fatiga

Un ensayo de fatiga es aquel en el que la pieza está sometida a esfuerzos variables en magnitud y sentido, que se repiten con cierta frecuencia. Muchos de los materiales, sobre todo los que se utilizan en la construcción de máquinas o estructuras, están sometidos a esfuerzos variables que se repiten con frecuencia. Es el caso de los árboles de transmisión, los ejes, las ruedas, las bielas, los cojinetes, los muelles,... Cuando un material está sometido a esfuerzos que varían de magnitud y sentido continuamente, se rompe con cargas inferiores a las de rotura normal para un esfuerzo de tensión constante.

Si a un material se le aplican tensiones repetitivas (cíclicas) de tracción, compresión, flexión, torsión, etc., comenzaremos por medir los valores de los esfuerzos a que están sometidas las piezas – El valor máximo de la tensión a que esta sometida – El valor mínimo de la tensión – La diferencia entre el valor máximo y mínimo – El valor medio (σmed)

Existe un valor de ΔσF por debajo del cual no se produce rotura por fatiga. Es el límite de fatiga. La carga de fatiga es repetitiva (cíclica) y posee un valor máximo y mínimo en cada ciclo. Pues bien, la diferencia entre ambos valores (ΔσF) es el límite de fatiga, independientemente del número de veces que se repite la acción.

En el gráfico, se observa uno de los ciclos de los esfuerzos variables a los que está sujeto el material. Estos ciclos se repiten, aunque no necesariamente deben ser iguales. Si la diferencia entre el esfuerzo máximo (σmax) y el esfuerzo mínimo (σmin) que sufre la pieza en un determinado ciclo supera el valor (ΔσF), entonces se corre el riesgo de rotura si este fenómeno se repite durante varios ciclos.

En ingeniería y, en especial, en ciencia de los materiales, la fatiga de materiales se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas. Aunque es un fenómeno que, sin definición formal, era reconocido desde la antigüedad, este comportamiento no fue de interés real hasta la Revolución Industrial, cuando, a mediados del siglo XIX se comenzaron a producir las fuerzas necesarias para provocar la rotura de los materiales con cargas dinámicas muy inferiores a las necesarias en el caso estático; y a desarrollar métodos de cálculo para el diseño de piezas confiables. Este no es el caso de materiales de aparición reciente, para los que es necesaria la fabricación y el ensayo de prototipos.Denominado ciclo de carga repetida, los máximos y mínimos son asimétricos con respecto al nivel cero de carga.

Aleatorio: el nivel de tensión puede variar al azar en amplitud y frecuencia.La amplitud de la tensión varía alrededor de un valor medio, el promedio de las tensiones máxima y mínima en cada ciclo:

El intervalo de tensiones es la diferencia entre tensión máxima y mínima

La amplitud de tensión es la mitad del intervalo de tensiones

El cociente de tensiones R es el cociente entre las amplitudes mínima y máxima

Por convención, los esfuerzos a tracción son positivos y los de compresión son negativos. Para el caso de un ciclo con inversión completa de carga, el valor de R es igual a -1.

Ensayo de flexión

Se usa para determinar las propiedades de los materiales frágiles en tensión. Se pueden observar un módulo de elasticidad y una resistencia a la flexión (Similar a la resistencia a la tensión).

El ensayo de flexión se basa en la aplicación de una fuerza al centro de una barra soportada en cada extremo, para determinar la resistencia del material hacia una carga estática o aplicada lentamente. Normalmente se usa para materiales frágiles

Modulo de elasticidad: Modulo de Young o la pendiente de la parte lineal de la curva esfuerzo-deformación en la región elástica. Es una medida de la rigidez de un material; depende de la fuerza de los enlaces interatómicos y de la composición, y no depende mucho de la microestructura.

Resistencia a la flexión: Esfuerzo necesario para romper un espécimen en un ensayo de flexión. También se le conoce como modulo de ruptura.

Comportamiento de los materiales sometidos a la flexión.

Si las fuerzas actúan sobre una pieza de material de tal manera que tiendan a inducir esfuerzos compresivos sobre una parte de una sección transversal de la pieza y los esfuerzos tensivos sobre la parte restante, se dice que la pieza está en flexión. La ilustración común de la acción flexionante es una viga afectada por cargas transversales; la flexión puede también causarse por momentos o pares tales como, por ejemplo, los que pueden resultar de cargas excéntricas paralelas al eje longitudinal de una pieza. Las estructuras y máquinas en servicio, la flexión puede ir acompañada del esfuerzo directo, el corte transversal, o el corte por torsión. Por conveniencia, sin embargo, los esfuerzos flexionantes pueden considerarse separadamente y en los ensayos para determinar el comportamiento de los materiales en flexión; la a tensión usualmente se limita a las vigas.

Ensayo de Flexión.

La prueba de flexión en un material es una prueba cuasi estática que determina el módulo de flexión, el esfuerzo de flexión y la deformación por flexión en una muestra de material. Los resultados de esta prueba describen el comportamiento de un material a través de un diagrama de esfuerzo-deformación, al igual que las pruebas de tracción y compresión. Un material tiene resistencia a la flexión si es capaz de soportar cargas que provoquen momentos flectores en su sección transversal.

El ensayo hace que la probeta experimente un esfuerzo de compresión en la superficie cóncava y un esfuerzo de tensión en la convexa. A través de la prueba de flexión podemos obtener información de su módulo de elasticidad, el cual indica si el material es rígido o flexible.

Estas propiedades dependen de la estructura interna que posean los materiales. Los elastómeros poseen una estructura reticulada que les proporciona elasticidad a temperatura ambiente, y a su vez, esos puntos de unión entre sus cadenas moleculares hacen que sean infusibles e insolubles. Los materiales termoplásticos, con estructura no reticulada, también presentan distintos comportamientos según sean: amorfos (como el PMMA, PS, PVC) o parcialmente cristalinos (PA, PP, PE). La reticulación de los materiales termoestables es aún más densa lo que les confiere rigidez y fragilidad.

Ensayo de compresión.

El ensayo de compresión se realiza para determinar las propiedades de un material frente a una solicitación axial negativa. Solicitación que pretende comprimir la probeta de ensayoEl fin del ensayo de compresión puede ser determinar las propiedades de un material o el comportamiento de un componente o sistema completo frente a una solicitación externa.

Determinación de las propiedades del material: ejemplo: norma EN 196-1 resistencia mecánica de cementos y morteros. Se busca obtener valores “absolutos” de resistencia del cemento, de forma que se puedan clasificar y comparar.

En esta normativa se describe todo el proceso de ensayo de forma que su preparación, curado y proporción de componentes no pongan en compromiso la comparación de resultados entre diferentes fábricas y países.

Las probetas se preparan mediante la mezcla controlada del cemento, junto con los áridos y el agua en composición, cantidades y con un procedimiento muy detallado. Las propiedades mecánicas del cemento determinadas en el ensayo de compresión según EN 196-1 dependen directamente del proceso de preparación de probeta, su curación y por supuesto de la máquina de ensayo y el procedimiento de ensayo de compresión.

Ensayo de torsión

Método para determinar el comportamiento de materiales sometidos a cargas de giro. Los datos del ensayo de torsión se usan para construir un diagrama esfuerzo-deformación y para determinar el límite elástico del módulo elástico de torsión, el módulo de ruptura en torsión y la resistencia a la torsión. Las propiedades de corte suelen determinarse en un ensayo de torsión

Una barra sujeta en un extremo y sometida en el otro a un par T (=Fd) aplicado en un plano perpendicular al eje. Se dice que esa barra está sometida a torsión. El ensayo de torsión es un mecanismo en que se deforma una muestra aplicándole un par torsor.La deformación plástica alcanzable con este tipo de ensayos es mucho mayor que en los de tracción (estricción) o en los de compresión (abarrilamiento, aumento de sección).Los efectos de la aplicación de una carga de torsión a una barra son: producir un desplazamiento angular de la sección de un extremo respecto al otro y originar tensiones cortantes en cualquier sección de la barra perpendicular a su eje.A veces, a lo largo de un eje actúan una serie de pares. En este caso, es conveniente introducir un nuevo concepto, el momento torsor, que se define para cada sección de la barra, como la suma algebraica de los momentos de los pares aplicados, situados a un lado de la sección considerada. Naturalmente, la elección de lado es arbitraria en cada caso

Ensayo de pandeo

En las piezas en las que la dimensión longitudinal es mucho mayor que el diámetro ocurre que sometidas a esfuerzos de compresión en la dirección del eje no se rompen por aplastamiento, si no que se doblan lateralmente y se rompen con cargas muy inferiores a las que les correspondería por su sección y resistencia a la compresión. Los miembros de gran longitud, como las columnas, están sometidas a fuerzas de compresión axial, debido a esto sufren una deflexión lateral denominada pandeo.

En las figuras se muestran algunos elementos sometidos a este tipo de fuerzas:

En un modelo ideal de columna el pandeo no existiría, sin embargo en la realidad hay algunas causas que determinan el pandeo como son irregularidades en la forma, en la estructura, excentricidad de la carga respecto al centro geométrico y pequeña flexión del eje. La carga axial que da inicio a la inestabilidad por pandeo se conoce como carga crítica de pandeo. Para el análisis de la carga crítica se considera que la barra está articulada en ambos extremos. Se toma como referencia un elemento estructural con una longitud L, de sección constante A e inercia I, constituido por un material cuyo módulo de elasticidad es E, al elemento mencionado se lo somete a una carga axial de compresión.

Con estos parámetros obtenemos una fórmula para calcular la carga crítica:

Debemos definir también el plano crítico de pandeo; que es el plano en el cual es más probable que se produzca el pandeo. El ensayo de pandeo consiste en someter un material a una fuerza de compresión, a diferencia del ensayo de flexión el material en estudio debe ser una placa muy fina par que no intervenga otro tipo de resistencia al material, como la propia flexión o fuerzas de corte. Este tipo de ensayo no tiene una utilidad imprescindible en la construcción de máquinas, no obstante puede resultar determinante para otras piezas. Los ensayos se realizan en la máquina universal AMSLER.

Ensayo de Fractura

El ensayo de fractura tiene por objetivo determinar las condiciones críticas que permiten la fractura súbita de una pieza que se somete a tensiones uniaxiales. El ensayo de fractura es básicamente igual al de tracción con la variación de la forma de la probeta y de los resultados buscados. Así pues, la máquina de ensayo es una prensa hidráulica con las mismas características de la de tracción y con registro de los parámetros: a) fuerzas aplicadas, b) dimensión de grieta de la probeta.

La probeta del ensayo a fractura se indica en la figura 2.35, así como su montaje en las mordazas de la prensa de tracción.

La probeta, según norma ASTM E399-81, dispone de una muesca mecanizada y una ampliación de la grieta, conseguida mediante fatiga axial, lo que define una dimensión de grieta inicial de ensayo de un valor "a".

Figura 2.35. Esquema de la probeta para ensayo a fractura.

La actuación de fuerzas axiales, F, origina el crecimiento de la grieta "a" en primera fase de forma estable, pues aquella crece en relación con el crecimiento de las fuerzas, y por último de forma inestable o súbita, pues la pieza se rompe a velocidad del orden de la del sonido.

La causa del avance de la grieta es el incremento de tensiones existente en el fondo de la grieta con relación a las tensiones nominales inducidas por la fuerza F. Una representación de estos aumentos de tensión se observa en la figura 2.36.

La intensidad de la tensión en el extremo de la grieta, causa de su crecimiento, es función tanto de la tensión nominal, s, como de la dimensión de la grieta existente, "a". Se

define un parámetro indicador de la intensidad de tensiones, denominado factor de intensidad de tensiones KIC, definido por la expresión:

Que observa el comportamiento característico cuando se alcanzan las condiciones críticas, crecimiento inestable de la grieta, cuando se alcanza el valor máximo ac para una tensión aplicada de rotura, sc, o de la invarianza de ésta, factor que denominamos como KIC o también tenacidad de fractura. En este supuesto se cumple:

(2.41)

Figura 2.36. a) Entalla superficial. b) Entalla cerrada. c) Representación del aumento de tensiones en fondo de entalla.

Ensayo de sanidad de soldaduras

Este grupo de ensayo tiene como objetivo determinado la sanidad de la soldadura, esto es, que esté libre de discontinuidades. Estos ensayos se utilizan generalmente en la calificación de procedimientos de soldadura y en la calificación de soldadores.

Los ensayos que sirven para este propósito son los siguientes:

·         Ensayo de resistencia al doblez

·         Ensayo de Nick-Break

·         Ensayo de ruptura de filete

Ensayo de resistencia al dobles

Existen diferentes tipos de ensayos de doblez, dependiendo de su orientación, de la soldadura respecto al doblez. Existen tres tipos de probetas para doblez transversal que son:

  Ø  Doblez de cara

  Ø  Doblez de raíz

  Ø  Dobles lateral

En estos, la soldadura se encuentra perpendicular a la dirección longitudinal de la probeta, y su nombre se refiere al lado de la soldadura el cual es puesto en tensión durante el ensayo; esto es, la cara de la soldadura es estirada en el dobles de cara, la raíz es estirada en el dobles de la raíz y el lado de la sección transversal de la soldadura estirada en el doblez lateral.

El ensayo de doblez se realiza generalmente utilizando algún tipo de dispositivo.

 Existen tres tipos básicos:

  Ø  Dobles guiado estándar

  Ø  Dobles guiado equipado con rodillo

  Ø  Doblez guiado mediante enrollado

El dispositivo de doblez guiado estándar consiste en un punzón y un lado en forma de “u” para realizar el ensayo de doblez.

El espécimen se coloca sobre los hombros del dado con el lado que se va a  ponerse en tensión hacia la parte interior del dado. El punzón se coloca sobre el área de interés y se aplica la fuerza para doblar el espécimen hasta 180o y que tiene la forma de “u”. Posteriormente el espécimen es removido y evaluado.

El dispositivo de doblez guiado equipado con rodillo es muy similar al dispositivo de dobles guiado estándar, excepto que este se encuentra equipo con rodillo en lugar de un lado. Esto permite disminuir la fricción durante el doblez del espécimen reduciendo la carga aplicada.

El último tipo es el dispositivo de doblez guiado mediante enrollado el cual toma su nombre debido a que el espécimen es doblado por un rodillo alrededor de otro fijo.

Este tipo de dispositivo es muy útil para doblar especímenes que tangan diferente resistencia en el metal base y en la soldadura.

En cualquiera de los ensayos de doblez mencionados, los especímenes deben prepararse con cuidado para evitar imprecisiones. Cualquier marca o ralladura sobre la superficie a tensionar, puede ser concentrado de esfuerzos que podría ocasionar que el espécimen ensayado falle.

Ensayo de Nick-Break

Este ensayo es usado exclusivamente por el código API 1104que se utiliza principalmente en la industria petrolera, para la calificación de los procedimientos y soldadura de tuberías de conducción. Este método evalúa la sanidad de la soldadura, mediante la posible presencia de discontinuidades en la superficie de fractura del espécimen ensayado. La fractura se localiza en la soldadura mediante 2 o 3 ranuras a lo largo de la superficie.

Ensayo de ruptura de filete

Como los demás tipos de ensayo mencionados, este ensayo de sanidad se utiliza principalmente en la clasificación de soldadura. Este es el único ensayo requerido para la clasificación de “soldador punteador” de acuerdo con el código AWS D1.1

Mediante este ensayo el supervisor verifica que la soldadura muestre una apariencia superficial satisfactoria además inspecciona la superficie fracturada para asegurarse que la soldadura presenta evidencia de fusión en la raíz y no muestra áreas des de fusión incompleta de la soldadura con el metal base o porosidades en la soldadura.