Sara López Puerta

IES Hermenegildo Lanz | Dpto. de

Tecnología Industrial II

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE

MEDIDA

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1. Propiedades mecánicas de los materiales.

Para la elección de un determinado material, que va a estar destinado a prestar

un servicio, es necesario conocer las características técnicas del mismo, de tal

forma que cualquier deformación que se produzca no sea excesiva y cause una

rotura. Las propiedades mecánicas de los materiales se determinan realizando

ensayos cuidadosos de laboratorio que reproducen las condiciones de trabajo

real hasta donde sea posible.

Propiedades mecánicas:

Cohesión: es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse.

Elasticidad: indica la capacidad que tienen los materiales elásticos de

recuperar la forma primitiva cuando cesa la carga que los deforma.

Plasticidad: define la facilidad de adquirir deformaciones permanentes

sin llegar a la rotura. Cuando estas deformaciones se presentan en

forma de láminas, hablaremos de maleabilidad, y si se presentan en

forma de filamentos, de ductilidad.

Dureza: es la resistencia que ofrece los cuerpos a ser rayados o

penetrados. Depende de la cohesión atómica.

Tenacidad: es la resistencia a la rotura por acción de fuerzas externas.

Fragilidad: es la propiedad opuesta a la tenacidad. Se caracteriza

porque la zona plástica es muy corta y los límites elástico y de rotura

están muy próximos.

Resilencia: Es la energía absorbida en una rotura por impacto.

La cohesión se valora a través de los ensayos de dureza, y la elasticidad y la

plasticidad por medio de los de tracción.

2. Clasificación y tipos de ensayo.

Ante la extensa gama de tipos de ensayos que se realizan en la industria para

determinar las características técnicas de los materiales, estableceremos tres

criterios básicos para su clasificación:

a) Atendiendo a la rigurosidad de su ejecución:

a. Ensayos técnicos de control. Son aquellos que se realizan

durante el proceso productivo. Se caracterizan por su rapidez y

simplicidad, al mismo tiempo han de ser exactos, fieles y

sensibles.

b. Ensayos científicos. Se realizan para investigar características

técnicas de nuevos materiales. Se caracterizan por su gran

precisión, fidelidad y sensibilidad.

b) Atendiendo a la forma de realizar los ensayos:

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a. Ensayos destructivos: las materiales ven alterada su forma y

aspecto inicial.

b. Ensayos no destructivos: su aspecto físico no se ve alterado.

c) Según el método empleado:

a. Ensayos químicos. Permiten conocer la composición química

cualitativa y cuantitativa del material, así como su comportamiento

ante los agentes químicos.

b. Ensayos metalográficos. Con ellos estudia la composición interna

del material dándonos a conocer los tratamientos térmicos y

mecánicos que ha sufrido.

c. Los ensayos físicos y físico-químicos. Determinamos propiedades

tales como la densidad, el punto de fusión, calor específico,

conductividad térmica y eléctrica, etc., así como las

imperfecciones y malformaciones tanto internas como externas.

d. Ensayos mecánicos. Determinan las características elásticas y de

resistencia de los materiales sometidos a esfuerzos o

deformaciones análogas a las que se presentan en la realidad.

Estudiaremos: ensayos estáticos de tracción, compresión,

cizalladura flexión y torsión, ensayos de dureza, de choque o

dinámicos, ensayos de fatiga y fluencia, ensayos tecnológicos de

plegado, doblado, embutición, forjado, etc.

3. Deformaciones elásticas y plásticas.

Deformaciones elásticas: el material es sometido a una fuerza de

tensión que provoca una deformación del mismo, si al cesar la fuerza el

material vuelve a sus dimensiones primitivas, diremos que ha

experimentado una deformación plástica. Los átomos son desplazados

de su posición original pero no hasta el punto de tomar nuevas

posiciones.

Deformaciones plásticas: el material se deforma hasta el extremo de

no poder recuperar por completo sus medidas originales.

4. Esfuerzo y deformación

Consideremos una varilla cilíndrica de longitud l0 y una

sección A0, sometida a una fuerza F de tracción.

Definiremos esfuerzo como el cociente entre la fuerza

de F y la sección transversal A0 e la varilla.

𝝈 =𝑭

𝑨𝟎

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Las unidades de esfuerzo en el Sistema Internacional son N/m2, de donde

1N/m2 = 1 Pa.

Cuando se aplica a una varilla una fuerza de tracción, se provoca un

alargamiento o elongación de la varilla en la dirección de la fuerza, es a lo que

se le denomina deformación. Se entiende por deformación unitaria el cociente

entre la variación de longitud en dirección a la fuerza y la longitud original

considerada.

𝜺 =𝒍 − 𝒍𝟎𝒍𝟎

=∆𝒍

𝒍𝟎

De donde:

𝑙0= longitud inicial de la muestra

𝑙 = Nueva longitud de la muestra después de haber sido alargada por una fuerza de

tensión uniaxial.

∆𝑙 = Variación de la longitud de la muestra

Por tanto de deformación unitaria () resulta ser adimensional.

En la práctica industrial, es habitual convertir la deformación en porcentaje de

deformación o porcentaje de alargamiento:

% deformación = deformación · 100 % = % alargamiento

5. Ensayo de tracción (UNE 7-474)

Consisten someter a una probeta de forma y dimensiones normalizadas a un

sistema de fuerzas exteriores (fuerzas de tracción) en la dirección de su eje

longitudinal hasta romperla.

Las probetas normalizadas están reguladas

por las normas:

UNE 7282, preparación

UNE 7262-73, tolerancias en su

mecanizado

UNE 7010, recomienda: superficie de

150 mm2, diámetro de 13,8 mm, longitud

inicial de 100 mm.

RECURSOS:

Pascal

5

Existen dos tipos de probetas:

- Probetas cilíndricas: se utilizan en ensayos con materiales forjados,

fundidos, barras y redondos laminados y planchas de espesor grueso.

- Probetas prismáticas: se emplean en planchas de espesores medios y

pequeños.

Las probetas constan de una parte central calibrada, zona en la cual se han de

producir las deformaciones y roturas de la pieza, y de unos cabezales de donde

se sujeta a la máquina.

Las máquinas de

tracción son dispositivos

mecánicos o hidráulicos

que someten a las

probetas a una fuerza de

tracción que crece de

forma lenta y continuada

de forma que esta influya

lo mínimo posible en el

ensayo. Dicha máquina es

capaz de establecer la

relación entre las fuerzas aplicadas y alargamientos producidos. Normalmente

este ensayo termina con la rotura de la probeta.

Pincha en la imagen para observar una simulación del ensayo de tracción.

5.1. Diagrama de tracción

Durante el ensayo se mide el alargamiento (l) que experimenta la provea al

estar sometida a la fuerza (F) de tracción. De esta forma se puede obtener un

diagrama fuerza-alargamiento, pero, para que el resultado del ensayo dependa

lo menos posible de las dimensiones de la probeta y que, por tanto, resulten

comparables los ensayos realizados con probetas de diferentes tamaños, se

utiliza el diagrama tensión () - deformación unitaria ().

Deformación o alargamiento unitario (adimensional): cociente entre el

alargamiento l experimentado y la longitud inicial de la probeta l0

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∆𝑙 = 𝑙1 − 𝑙0

𝜺 =∆𝒍

𝒍𝟎

Tensión (N/m2 o kp/cm2): fuerza aplicada a la probeta por unidad de

sección; es decir, si la sección inicial es A0 la tensión viene dada por:

𝝈 =𝑭

𝑨𝟎

Realizadas estas transformaciones obtenemos una gráfica parecida a:

Cada material presenta una gráfica de tracción característica pero todas ellas

tienen en común dos zonas:

Zona elástica (OE). Se caracteriza porque al cesar las tensiones

aplicadas, los materiales recuperan su longitud original l0. Dentro de la

zona elástica distinguimos:

- Zona de proporcionalidad (OP). Observamos que se trata de una

recta, por tanto, existe una proporcionalidad entre las tensiones

aplicadas y los alargamientos unitarios. Matemáticamente se cumple:

𝝈 = 𝒄𝒕𝒆 · 𝜺

La relación entre ambas magnitudes (σ/ε) se le llama Módulo de

elasticidad (E) o Módulo de Young. E = σ/ε

𝒕𝒈 𝜶 =𝝈

𝜺= 𝑬

El límite de esta zona es el punto P, llamado limite de

proporcionalidad y a la tensión aplicada en dicho punto, tensión de

proporcionalidad. Para aquellos materiales donde no exista la zona

no proporcional el límite elástico y límite de proporcionalidad

coinciden.

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Es la zona donde deben trabajar los materiales.

- Zona no proporcional (PE). El material se comporta de forma elástica

pero las deformaciones y tensiones no están relacionadas

matemáticamente. No es una zona aconsejable de trabajo, ya que no

podemos controlar la relación deformación-tensión aplicada. No se

existe en todos los materiales. Al punto que limita esta zona (E) se le

denomina límite elástico.

Zona plástica (EU). Se ha rebasado la tensión del límite elástico E de

tal forma que aunque dejemos de aplicar tensiones de tracción, el

material ya no recupera su longitud original, es decir, su longitud será

algo mayor que l0. Diremos que el material ha sufrido deformaciones

permanentes. Dentro de la zona plástica distinguimos otras tres zonas:

- Zona límite de fluencia (EF). En esta zona se van a producir

alargamientos muy rápidos sin que varíe la tensión aplicada es lo que

se conoce como fluencia,. Al punto F se le denomina limite de

fluencia y a la tensión que lo provoca tensión de fluencia. Este punto

es característico en los aceros pero no se da en otros muchos

materiales.

- Zona límite de rotura (ER). Zona donde a pequeñas variaciones de

tensión se producen grandes alargamientos. En esta zona, al igual

que la anterior, las deformaciones son permanentes. El límite de esta

zona es el punto R, llamado límite de rotura, y a la tensión aplicada

en dicho punto la denominamos tensión de rotura. A partir de este

punto el material se considera roto, aunque no se haya producido la

fractura visual.

- Zona de rotura (RU). Superado el punto R, aunque se mantenga

constante o baje ligeramente la tensión aplicada, el material sigue

alargándose progresivamente hasta que se produce la rotura física

total en el punto U.

Tensiones máximas de trabajo.

Se denomina tensión máxima de trabajo, al límite de carga máximo, según

norma, al que podemos someter a una pieza o elemento simple de una

estructura. Cuantitativamente el valor de esta tensión es inferior a la tensión

correspondiente al límite de proporcionalidad. Con ello nos aseguramos de:

Que el elemento resistente no padecerá deformaciones plásticas.

Que se cumple la ley de Hooke.

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Que se tenga un margen de seguridad que asuma la posibilidad de que

aparezcan fuerzas imprevisibles.

Para calcular las tensiones máximas se tendrán en cuentas las tensiones de

fluencia o si no existe esta la tensión de rotura:

𝜎𝑡 =𝜎𝑓

𝑛

𝜎𝑡 =𝜎𝑟𝑛

n = coeficiente de seguridad

6. Ensayo de dureza

La dureza se define como la resistencia que ofrece un material a ser rayado o

penetrado por otro. La propiedad mecánica que determinamos a través de

estos ensayos es la cohesión.

6.1. Ensayo de dureza al rayado.

Los primeros procedimientos que se utilizaron, se basaron en la resistencia que

oponen los cuerpos a ser rayados. Fue Mohs, en 1822, el que estableció la

primera escala de dureza con 10 materiales, donde cada uno de ellos es

rayado por el siguiente en la escala. Esta comienza por el talco como el más

blando y termina con el diamante como el más duro.

RECURSOS:

Introducción al ensayo de tracción

Video:

- Ensayo de tracción (UPV)

- Ensayo de tracción. Cálculo de deformaciones (UPV)

- Ensayo de tracción. Cálculo de tensiones (UPV)

- Ensayo de tracción en acero revenido

- Simulador ensayo de tracción

RECURSOS:

Video:

- Ensayo de dureza (UPV)

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Escala de Mohs

1 Talco

2 Yeso

3 Calcita

4 Fluorita

5 Apatita

6 Feldespato

7 Cuarzo

8 Topacio

9 Corindón

10 Diamante

A modo de ejemplos la fundición gris está entre 8 y 9; el hierro dulce en el 5; y los aceros entre 6,7 y 8.

a. 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:

𝑯𝑴 =𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎

𝒂𝟐

La nitruración es un tratamiento termoquímico que se le da al acero. El proceso modifica su composición añadiendo nitrógeno mientras es calentado. El resultado es un incremento de la dureza superficial de las piezas. También aumenta la resistencia a la corrosión y a la fatiga.

b. Ensayo a la lima: por medio de una lima en buen estado se puede

determinar, de forma aproximada, la dureza del acero templado. Si

no entra la lima, la dureza del acero será superior a 60 HRC (60

Rockwell-C, y si entra la dureza será inferior a 58 HRC (58 Rockwell-

C).

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7.2 . Ensayos de penetración.

Estas técnicas cuantitativas para determinar la dureza de los materiales

se basan en un pequeño penetrador que es forzado sobre la superficie

del material a ensayar, en condiciones controladas de carga y velocidad

de aplicación de la misma. En estos ensayos se mide la profundidad o

tamaño de la huella resultante. Las durezas así medidas tienen

solamente un significado relativo (no absoluto), y es necesario tener

precaución al comparar las durezas obtenidas por técnicas distintas.

a. Ensayo Brinell (UNE 7-422-85): Mide la huella del casquete esférico

que deja una bola de acero endurecido al ser comprimida sobre una

superficie plana y lisa del cuerpo a ensayar hasta alcanzar la carga

prevista y mantenida cierto tiempo. La dureza se expresa como el

cociente entre la carga aplicada en kg y la superficie del casquete

medida en mm2.

𝑯𝑩 =𝑭

𝑺=

𝟐𝑭

𝝅𝑫(𝑫− 𝑫𝟐 − 𝒅𝟐)

S = superficie del casquete de la huella. Recordemos que la superficie de un casquete

esférico viene dado por la expresión:

𝑺 = 𝝅𝑫𝒇

f = profundidad de la huella.

Ejercicio: calcular el valor de f.

Nomenclatura:

Generalmente, no se calcula la dureza Brinell aplicando la fórmula, sino

por medio de tablas, donde conocido el diámetro de la huella,

encontramos directamente el valor de la dureza.

Este ensayo tiene sus limitaciones. Para materiales de espesor inferior a

6 mm, al aplicarle la fuerza con una bola de 10mm de diámetro se

deforma el material, dando resultados erróneos. Para solucionar este

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problema se puede disminuir la carga y el diámetro de la bola, de tal

forma que las huellas sean menos profundas. Para evitar posibles

errores se calcula la carga según la siguiente fórmula:

𝑭 = 𝑲𝑫𝟐

De donde:

F = carga a utilizar medida en kp

K = constante para cada material, que puede valer 5 (aluminio, magnesio y sus

aleaciones), 10(cobre y sus aleaciones), y 30 (aceros)

D = diámetro de la bola (indentador) medida en mm

Y el diámetro de la huella ha de estar comprendido entre:

𝑫

𝟒< 𝑑 <

𝑫

𝟐

b. Ensayo Vickers (UNE 7-423-84): Para este ensayo el penetrador que

utilizamos es una pirámide regular de base, cuyas caras forman un

ángulo de 136º. Este tipo de ensayo se recomienda para durezas

superiores a 500 HB.

Presenta ventajas respecto al ensayo anterior, porque se puede utilizar

tanto para materiales duros como blando, y además los espesores de las

piezas pueden ser muy pequeños.

La dureza se expresa como el cociente entre la carga, en kg y la

superficie de la huella proyectada, en mm2. Las cargas que se utilizan

son muy pequeñas, de 1 a 120 kg, aunque lo normal es emplear 30 kg.

Ejercicio:

Para determinar la dureza Brinell de un material se ha utilizado una bola de 5

mm de diámetro y se ha elegido una constante k = 30, obteniéndose una

huella de 2,3 mm de diámetro. Calcule:

a) Dureza Brinell del material

b) Profundidad de la huella

RECURSOS:

Para saber más…

Video:

- Ensayo de BRINELL. Ensayo real

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El tiempo de aplicación varía entre 10 y 30 segundos, siendo 15

segundos lo más habitual.

𝑯𝑽 =𝑭

𝑺

Teniendo en cuenta que la supuperficie

lateral de la huella viene dada por:

𝑺 = 𝟒𝒍𝒉

𝟐

La expresión en función de la distancia

“d” quedaría.

𝑯𝑽 = 𝟏,𝟖𝟓𝟒𝟑𝑭

𝒅𝟐

Ejercicio: Calcular el valor de S

Su nomenclatura viena dada por:

c. Ensayo de Rockwell (UNE 7-424-89): en ensayo Rockwell es un

ensayo rápido y fácil de realizar pero menos preciso que los anteriores,

con este método la dureza se obtiene en función de la profundidad de la

huella y no en función de la superficie como ocurre con los ensayos de

Brinell y Vickers.

El penetrador consiste en una bola para materiales blandos,

obteniendose el grado de dureza Rockwell bola (HRB); o bien un cono

de diamante de 120º para materiales duros resultando el grado de

dureza Rockwell cono (RHC)L

RECURSOS:

Video:

- Ensayo de Vickers. Ensayo real

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Para realizar este ensayo se siguen los siguientes pasos:

Se aplica una carga de 10 kg al penetrador (bola o cono),

provocando una pequeña huella en la superficie del material a

ensayar; se mide la profundidad de esa huella, h1, y se toma

como referencia, colocando a cero el comparador de la máquina.

Aumentamos las cargas en 90 kg para el penetrador de bola y

140 kg para el de cono, mantenemos la carga un tiempo

comprendido entre 3 y 6 sg, y medimos la profundad producidad

h2.

Retiramos las cargas adicionales, y puesto que se dan

deformaciones tanto plásticas como elásticas, al retirar la carga

permaneceran unicamente las primeras, el valor de la profundiad

será, e = h2- h1

- Dureza Rockwell HRC = 100- e

- Dureza Rockwell HRB = 130- e

Nomenclatura:

Las durezas Rockwell y Rockwell Superficial vienen dadas por la

siguiente fórmula:

Dónde:

es la carga aplicada en kg

es el identificador del ensayo Rockwell

va a continuación de y es la letra correspondiente a la Escala

usada

Un ejemplo para un material que se le ha aplicado un esfuerzo de 60 kg y se ha

usado la escala B sería:

RECURSOS:

Video:

- Ensayo rockwell (real)

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Tabla resumen ensayos dureza:

Ensayo Esquema

Ensayo BRINELL. Indentador: Esfera de 10mm de acero o carburo de tungsteno. Carga = F

𝑯𝑩 =𝑭

𝑺=

𝟐𝑭

𝝅𝑫(𝑫− 𝑫𝟐 − 𝒅𝟐)

Ensayo VICKERS Indentador: Pirámide de diamante Carga = F

𝑯𝑽 = 𝟏,𝟖𝟓𝟒𝟑𝑭

𝒅𝟐

Ensayo ROCKWELL A, C, D Indentador: Cono de diamante (HRA, HRC, HRD) Carga:

PA = 60 Kg PC = 150 Kg PD = 100 Kg

Fórmula: HRA, HRC, HRD = 100 - e

Ensayo ROCKWELL B, F, G, E Indentador:

Esfera de acero f = 1/16 „‟ (HRB, HRF, HRG) Esfera de acero f = 1/8 „‟ (HRE)

Carga: PB = 100 Kg PF = 60 Kg PG = 150 Kg PE = 100 Kg

Fórmula: HRB, HRF, HRG, HRE = 130 - e

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7. Ensayo dinámico por choque. Ensayo de Resilencia.

El más característico es el ensayo Charpy. En este ensayo se utiliza una

probeta de sección cuadrada provista de una entalladura que es sometida a la

acción de una carga de ruptura por medio de un martillo que se desplaza en

una trayectoria circular.

La energía absorbida por la ruptura se llama resiliencia y su unidad en el

sistema internacional es el J/m2.

𝐸𝑝 = 𝑚 · 𝑔(𝐻 − 𝑕)

𝜌 =𝐸𝑝

𝐴0

Ep = Energía potencial absorbida en la ruptura en Julios (J)

m = Masa del martillo en kg

g = Gravedad terrestre 9,8 m/s2

H = Atura desde la que cae el martillo en metros (m)

h = Altura que alcanza el martillo después de romper la probeta en metros (m)

= Resiliencia en Julios por metro cuadrado (J/m2)

A0 = Sección de la probeta por la parte de entalladura en metros cuadrados (m2)

RECURSOS:

Video:

- Ensayo Charpy

- Ensayo de impacto o Charpy (UPV)

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8. Ensayo de fatiga.

Cuando determinadas piezas están sometidas a esfuerzos variables en

magnitud y sentido que se repiten con cierta frecuencia, se pueden romper con

cargas inferiores a las de rotura, incluso trabajando por debajo del límite

elástico siempre que actúen durante un tiempo suficiente. A este fenómeno se

le conoce como fatiga.

Límite de fatiga: es el máximo valor de la tensión al que podemos someter un

material sin romperse, independientemente del número de veces que se repita

la acción.

A tener en cuenta:

Las piezas metálicas pueden romperse bajo esfuerzos unitarios

inferiores a su carga de rotura, e incluso a su límite elástico, si el

esfuerzo se repite un número suficiente de veces.

Para que la rotura no tengo lugar, con independencia del número de

ciclos, es necesario que la diferencia entre la carga máxima y mínima

sea inferior a un determinado valor, llamado límite de fatiga.

Los ensayos de fatiga más habituales son los de flexión rotativa y torsión.

9. Otros ensayos.

9.1 Ensayo de compresión

Este ensayo es poco frecuente en los metales

y consiste en aplicar a la probeta, en la

dirección de su eje longitudinal, una carga

estática que tiende a provocar un

acortamiento de la misma y cuyo valor se irá

incrementando hasta la rotura o suspensión

del ensayo.

Se utilizan probetas cilíndricas de altura dos veces

su diámetro, de no ser así podrían sufrir el

fenómeno denominado pandeo.

RECURSOS:

Videos:

- Video: Ensayo de fatiga (UPV)

- Máquina torsionadora.

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El diagrama obtenido en un ensayo de compresión presenta para los aceros, al

igual que el de tracción un periodo elástico y otro plástico. Permite deducir que

los materiales frágiles sometidos a compresión rompen sin deformarse, para

los dúctiles este ensayo carece de importancia puesto que se deforman hasta

la suspensión de la carga, siendo posible determinar únicamente el límite de

proporcionalidad.

9.2. Ensayo de flexión

El esfuerzo de flexión puro o simple se obtiene cuando se aplican sobre un

cuerpo pares de fuerza perpendiculares a su eje longitudinal, de modo que

provoquen el giro de las secciones transversales con respecto a los inmediatos.

9.3 Ensayo de plegado

El plegado a temperatura ambiente es un ensayo tecnológico derivado del de flexión, se realiza para determinar la ductilidad de los materiales metálicos (de él no se obtiene ningún valor específico).

Este ensayo es solicitado por las especificaciones en la recepción de aceros en barras y perfiles, para la comprobación de la tenacidad de los mismos y después de haber sido sometido al tratamiento térmico de recocido. El material se coloca entre los soportes cilíndricos, aplicando la carga lentamente hasta obtener el ángulo de plegado especificado para el mismo, o bien cuando se observa la aparición de las primeras fisuras en la cara inferior o la sometida a tracción.