Tema Propiedades Materiales y Ensayos

TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I Materiales: Propiedades y Ensayos

I.E.S. GIL Y CARRASCO 1

TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Bloque: Materiales.

LOS MATERIALES: Propiedades y ensayos.

1. LAS MATERIAS PRIMAS

Llamamos materias primas a aquellos recursos naturales a partir de los que extraemos los

materiales que empleamos en la actividad técnica.

2. FORMAS COMERCIALES

Desde su extracción a partir de las materias primas hasta su distribución en el mercado,

los materiales sufren distintas transformaciones para convertirse en productos útiles para la

actividad tecnológica.

3. LA ELECCIÓN DE MATERIALES

La elección de los materiales más adecuados para elaborar un determinado producto

depende de muchos factores, entre los que destacan:

Las propiedades del material El uso que recibe un material depende de cuáles sean sus

propiedades. Por ejemplo, el acero es un material duro y resistente, capaz de soportar golpes y

grandes pesos sin deformarse; es muy adecuado para fabricar herramientas y vigas. Sin embargo,

apenas se emplea para fabricar recipientes, tales como cajas y latas, porque para ello se dispone

de otros materiales más ligeros y baratos.

Las posibilidades de fabricación La elección de uno u otro material depende de las

máquinas y herramientas de las que se disponga, de la mayor o menor facilidad con la que se

trabaja, etc.

La disponibilidad del material La mayor o menor abundancia del material y la mayor o

menor proximidad al lugar dónde se necesita.

El coste del material y de los medios necesarios para utilizarlo En principio, y si el

producto que se quiere fabricar lo permite, se intentará utilizar los materiales más baratos.

El impacto medioambiental Se intentará emplear materiales cuya obtención, producción,

uso y desecho tengan el menor impacto medioambiental posible.

4. TIPOS DE MATERIALES

Hay muchas formas de clasificar los materiales: según su composición, por su origen, de

acuerdo con sus propiedades físico- químicas, desde el punto de vista de la fabricación, etc.

Según su origen, los materiales se pueden clasificar en materiales naturales y materiales

artificiales, dependiendo de que se encuentren directamente en el medio natural o sean el

resultado de algún proceso de fabricación. Por ejemplo, el granito es un material natural,

mientras que el acero es un material artificial.



Según su composición, los materiales se pueden clasificar en elementos y compuestos,

homogéneos y heterogéneos, metálicos y no metálicos, inorgánicos y orgánicos, etc.

Según sus propiedades, los materiales se pueden clasificar en rígidos y flexibles, tenaces

y frágiles, conductores y aislantes, reciclables y no reciclables, etc.

Ejemplo de Clasificación de los materiales: Metálicos y No metálicos

Metales

Férricos

Hierro

Acero

Fundiciones

No férricos

Ligeros Aluminio, Magnesio, Titanio, Berilio

Pesados Cobre, Plomo, Cinc, Cobalto, Cromo

No metales

Plásticos

Termoplásticos Polietileno, Polipropileno, Polivinilo (PVC), Nylon, Poliestireno, Metacrilato

Termoestables Baquelita, Urea-formaldehído, Melamina, Resina de poliéster, Resina epóxi

Elastómeros Caucho natural, El caucho artificial, Neopreno, Silicona

Maderas

Textiles

Naturales

Origen mineral amianto

Origen animal Lana, Seda

Origen vegetal Algodón, Lino

Sintéticas Orgánicas Celulosa, Celofán, Nylon

Inorgánicas Fibra de vidrio, Fibra óptica

Vítreos Cristales de seguridad, vidrios, etc.

Pétreos

Yesos y cementos

Cerámicos

5. LAS PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES

Los materiales se diferencian entre sí por sus propiedades. Estas propiedades pueden

agruparse de maneras diferentes. No obstante, desde el punto de vista técnico resulta útil la

siguiente clasificación:

Propiedades sensoriales Son aquellas propiedades que, como el color, el brillo o la

textura, están relacionadas con la impresión que produce el material en nuestros sentidos.

Propiedades ópticas: se refieren a la respuesta del material a una radiación

electromagnética y a la luz visible.

Propiedades químicas: Se refiere a los procesos que modifican químicamente un material.

http://tecnolowikia.wikispaces.com/Clasificaci%C3%B3n+de+los+materiales



Propiedades magnéticas: Se refiere a la capacidad de algunos materiales al ser sometidos a campos magnéticos. (Comportamiento de los materiales frente a campos magnéticos).

Propiedades térmicas: Se refiere al comportamiento del material frente al calor.

Propiedades físicas: Se refiere a las características de los materiales debido al ordenamiento atómico o molecular del mismo.

Propiedades mecánicas: Están relacionadas con la forma en que reaccionan los

materiales al actuar fuerzas sobre ellos.

Propiedades tecnológicas Son aquellas propiedades que nos informan sobre el

comportamiento del material durante la fabricación.

Propiedades ecológicas Son aquellas propiedades relacionadas con la mayor o menor

nocividad del material para el medio ambiente: toxicidad, volatilidad, facilidad de reciclado,

etc.

Entre otras propiedades, los materiales con los que se construyen las estructuras se eligen

teniendo en cuenta su dureza, su tenacidad, su flexibilidad su elasticidad.

PROPIEDADES ÓPTICAS

Se refiere al comportamiento de los cuerpos cuando la luz incide sobre ellos, así tenemos:

Opacidad: absorben o reflejan totalmente la luz, impidiendo que pase a su través.

Transparencia: transmiten la luz, por lo que permiten ver a través de ellos.

Translucidez: dejan pasar la luz, pero impiden ver los objetos a su través

Reflexión de la luz

Refracción

PROPIEDADES QUÍMICAS

Estabilidad química: Indica la capacidad de un determinado elemento o compuesto químico

de reaccionar espontáneamente al entrar en contacto con otro elemento o a descomponerse o si,

por el contrario, para que reaccione es necesaria una acción exterior (calor, trabajo o elementos

químicos activadores)



Oxidación Cuando un material se combina con oxigeno, se dice que experimenta una

reacción de oxidación. Tal reacción, de forma esquemática seria...

Material + oxigeno _ oxido del material ± energía

Aunque la oxidación limita la vida del material en ocasiones la formación de una capa de

oxido en el mismo, depositada en la parte exterior del material, lo protege de una posterior

degradación.

La mayor temperatura acelera el proceso de oxidación del material.

Materiales susceptibles de ser oxidados: hierro, aceros bajos en carbono, cobre,

titanio,...

Materiales resistentes a la oxidación: oro, plata, aluminio, estaño, cromo,...

Corrosión: Cuando la oxidación se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras

sustancias agresivas, se denomina corrosión.

PROPIEDADES MAGNÉTICAS

Materiales diamagnéticos. Se oponen al campo magnético aplicado, de modo que en su

interior el campo magnético es más débil (Bi, Hg, Au, Cu, Na, H2, N2…)

Materiales paramagnéticos: El campo magnético en su interior es algo mayor que el

exterior (Al, Mg, Pt, Pd, O2,…)

Materiales ferromagnéticos: El campo magnético interior es mucho mayor que el

exterior. Estos materiales se utilizan como núcleos magnéticos en transformadores y bobinas

(Fe, Co, Ni y sus aleaciones)

PROPIEDADES TÉRMICAS

Dilatación térmica o dilatabilidad: La mayoría de los materiales aumentan de tamaño (se

dilatan) al aumentar la temperatura. La magnitud que define el grado de dilatación de un cuerpo

es el coeficiente de dilatación que nos da una idea del cambio relativo de longitud o volumen que

se produce cuando cambia la temperatura del material.

Calor específico: (Ce): Se define como la cantidad de calor que necesita una unidad de

masa para elevar su temperatura un grado (centígrado o Kelvin). En el sistema internacional se

mide en J/kg・K (K = grados Kelvin, 0oC = 273,15 K), aunque es más frecuente medirlo en cal/g・K. (calor específico del agua aproximadamente 1 cal/(g·K))

Temperatura de fusión: Es la temperatura expresada en ºC en la que un material pasa de

estar en estado sólido a estado liquido. (Varía según la presión a la que se encuentre se materia.

Por lo general se mide a 1amt de presión)



Conductividad térmica: Es una propiedad que tienen los materiales para conducir el calor

La conductividad térmica se expresa en unidades de W/(m.k) Julios/ (metros x Grados Kelvin)

La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de transmitir

el calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en

los polímeros, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se

denominan por eso aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una

sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un

vacío bajo.

Calor latente de fusión: Es el calor necesario para transformar una unidad de masa del

material del estado sólido al liquido

PROPIEDADES FÍSICAS

Densidad: es la relación existente entre la masa (M) de una cantidad determinada de un

material y el volumen (V) que ocupa d= M / V

Peso específico: es la relación existente entre el peso de una determinada cantidad de

material y el volumen que ocupa (se mide en N/m3).

Resistencia eléctrica: Todas las sustancias ofrecen un mayor o menor grado de oposición al paso de la corriente eléctrica. Tal oposición es la resistencia eléctrica, que define si un material es

un conductor, semiconductor o aislante eléctrico. La resistencia eléctrica se mide en ohmios ().

Resistividad (ρ): es la resistencia que ofrece al paso de la corriente eléctrica un

elemento de ese material de 1 m de longitud y 1 m2 de sección. Se mide en Ω·m. La inversa de la

resistividad es la conductividad (σ)

PROPIEDADES MECÁNICAS

Rigidez es la capacidad de un objeto sólido o elemento estructural para soportar

esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones o desplazamientos.

Dureza Es la resistencia que presenta un material a ser rayado, cortado o penetrado por

otro. (Por tanto, mide la resistencia del material a experimentar deformación plástica localizada).

Así, por ejemplo, el acero es más duro que la madera, ya que el acero puede cortar a la madera

mientras que la madera no puede cortar, ni rayar, al acero.

Tenacidad. Resistencia que opone un cuerpo a su rotura cuando está sometido a

esfuerzos lentos de deformación. El valor de la tenacidad de un material no es único ya que

depende, al igual que otras características de los materiales de la velocidad de aplicación de la

carga, de la temperatura, etc.



Resiliencia. Es la resistencia que presenta un material a romperse cuando se golpea; es

una magnitud que cuantifica la cantidad de energía por unidad de volumen que almacena un

material al deformarse elásticamente debido a una tensión aplicada. Se diferencia de la

tenacidad en que ésta cuantifica la cantidad de energía almacenada por el material antes de

romperse, mientas que la resiliencia tan sólo da cuenta de la energía almacenada durante la

deformación elástica

Fragilidad. Es la capacidad de un material de romperse con escasa deformación. La

rotura frágil absorbe poca energía, a contrario que la dúctil, que absorbe mucha energía

Elasticidad Es la capacidad que tiene un material de recuperar su forma y dimensiones

primitivas por sí solo, cuando cesa el esfuerzo que lo había deformado.

Hay una relación entre la deformación y la fuerza que origina esa deformación y es la Ley

de Hooke: La deformación de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza que lo produce

F=K·x

Los materiales que, como el caucho, recuperan su forma cuando cesa la fuerza que los ha

deformado se llaman materiales elásticos. Por el contrario, los materiales que, como la plastilina,

no recuperan su forma por si solos se llaman materiales plásticos.

Plasticidad: Aptitud de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones

permanentes, bajo la acción de una presión o fuerza exterior (por encima de su límite elástico),

sin que se produzca rotura.

Fatiga de materiales: se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales

bajo cargas dinámicas cíclicas (fuerzas repetidas aplicadas sobre el material) se produce ante

cargas inferiores a las cargas estáticas que producirían la rotura. Un ejemplo de ello se tiene en

un alambre: flexionándolo repetidamente se rompe con facilidad, pero la fuerza que hay que

hacer para romperlo en una sola flexión es muy grande. La fatiga es una forma de rotura que

ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes.

Fluencia: Lenta y continua deformación plástica que sufre un material a una determinada

Tª bajo la acción de una carga constante. Se produce al someter a un cuerpo a un esfuerzo

superior a su límite elástico, sufre una deformación elástica y plástica acompañada de una

deformación de sus estructuras cristalinas. Las deformaciones por fluencia dependen del

material y aumentan con la carga, la temperatura y el tiempo.

Resistencia: es la medida de la tensión necesaria para romper o deformar un material.

Resistencia a la Tracción



Resistencia a la Torsión

Acritud: es la propiedad de un metal de aumentar dureza, fragilidad y resistencia a la

tracción al ser trabajados en frío. El trabajo en frío da por resultado un gran incremento en la

resistencia de fluencia, acrecienta la resistencia última y la dureza, y disminuye la ductilidad.

PROPIEDADES TECNOLÓGICAS

Fusibilidad

Ductilidad

Maleabilidad

Moldeabilidad

Colabilidad:

Soldabilidad:

Maquinabilidad:

OTRAS PROPIEDADES

Absorción del agua

Capilaridad

Permeabilidad

Porosidad



NOTA: Clasificación de las cargas

TIPO DE CARGA DEFINICIÓN

Estática Actúa en reposo

Dinámica Actúa en movimiento

Permanente Carga estática que actúa constantemente y con la misma intensidad

Intermitente Carga cuya intensidad varía de cero a un máximo

Instantánea Cuando actúa repentinamente con toda su intensidad, pero sin choque

Variable Carga cuya intensidad oscila desde un mínimo que no es cero a un máximo

Alternada Su intensidad varía desde un máximo positivo a un máximo negativo

Concentrada Actúa en un punto

Distribuida Repartida en la superficie

Límite de elasticidad: (oE) es la tensión hasta la cual no se presentan deformaciones permanentes.

Carga de rotura por tracción: (oB) se calcula refiriendo la máxima carga que resiste la probeta a la sección primitiva.

Conclusiones

1. Una carga permanente menor que oE puede ser resistida por el material indefinidamente.

2. Las cargas no permanentes menores que oE pueden provocar la ruptura en un tiempo muy prolongado.

3. Una carga mayor que oE pero menor que oB provocará la ruptura en un tiempo tanto menor cuanto más exceda el límite elástico.

El tiempo es máximo para cargas permanentes, menor para las variables, menor aún para las alternadas y mínimo para las móviles.

Podemos decir así:

"La resistencia del material a las cargas es inversamente proporcional a la intensidad y a la frecuencia de las deformaciones que experimenta"



6. ENSAYOS DE MATERIALES

Con el ensayo de los materiales deben determinarse los valores de resistencia, verificarse

las propiedades y establecerse el comportamiento de aquellos bajo la acción de las influencias

externas. El factor económico juega un rol de importancia en el campo de la fabricación en

general, imponiendo un perfecto conocimiento de los materiales a utilizar, de manera de

seleccionarlos para cada fin y poder hacerlos trabajar en el límite de sus posibilidades,

cumpliendo con las exigencias de menor peso, mejor calidad y mayor rendimiento.

En los ensayos físicos se determinan generalmente la forma y dimensiones de los cuerpos,

su peso específico y densidad, contenido de humedad, etc., y en los mecánicos la resistencia,

elasticidad y plasticidad, ductilidad, tenacidad y fragilidad, etc

PROCEDIMIENTO DE ENSAYO DE MATERIALES

Procedimientos de ensayo mecánico - tecnológicos

Procedimientos de ensayo metalográficos

Procedimientos de ensayo no destructivos

Muestran el comportamiento de los materiales frente a las fuerzas externas y en el mecanizado.

Proporcionan conocimientos sobre la estructura y tipo de la textura

Proporcionan información sobre la composición y sobre fallos (grietas, poros, inclusiones)

Solicitaciones continuas en reposo, por impulsos, periódicamente alternadas

Investigación de la textura en zonas esmeriladas, con aumento al microscopio

Análisis espectral, investigación por rayos X y ultrasonido, procedimiento del polvo magnético

PROCEDIMIENTOS DE ENSAYOS Y TOMAS DE PROBETAS

Mediante los diversos procedimientos de ensayos se trata de tener una idea mas completa

sobre las propiedades de un material para decidir de ahí anticipadamente su comportamiento

cuando esté sometido a las cargas de funcionamiento y a las influencias exteriores.

Para valorar las probetas son muy importantes las dimensiones de la pieza forjada o fundida y el

lugar de donde se toma esa probeta. Las probetas siempre deben tomarse de los sitios y en las

direcciones en que reina el máximo trabajo.



PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO MECÁNICO - TECNOLÓGICOS

ENSAYO DE DUREZA SUPERFICIAL

El ensayo rutinario de Dureza Superficial, que es la resistencia de un material a ser

marcado por otro. Se prefiere el uso de materiales duros cuando éstos deben resistir el roce con

otros elementos. Es el caso de las herramientas de construcción (palas, carretillas, pisos, tolvas).

El ensayo es realizado con penetradores en forma de esferas, pirámides o conos. Estos elementos

se cargan contra el material y se procede a medir el tamaño de la huella que dejan. Es un ensayo

fácil y no destructivo; puede realizarse en cualquier sitio, ya que existen durómetros fácilmente

transportables. Una de las ventajas del ensayo de dureza es que los valores entregados pueden

usarse para hacer una estimación de la resistencia a la tracción. La dureza superficial puede

aumentarse añadiendo al material una capa de carbono, en un tratamiento térmico denominado

cementación.

La clasificación y los métodos varían con cada material, dando origen a los números de

dureza:

HBN (Hardness Brinell Number) HRA, HRB, HRC, ... (Hardness Rockwell series A, B, C, ...) HVN (Hardness Vickers Number)

A continuación se detalla el procedimiento y el cálculo de cada uno de estos números

estandarizados.

Ensayo BRINELL.

Penetrador: Esfera de 10mm de acero o carburo de tungsteno.

Carga = P

Fórmula: HBN =

Ensayo VICKERS

Penetrador: Pirámide de diamante

Carga = P

Fórmula: HVN = 1,72



Ensayo ROCKWELL A, C, D

Penetrador: Cono de diamante (HRA, HRC, HRD)

Carga:

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

Formula: HRA, HRC, HRD = 100 - 500t

Ensayo ROCKWELL B, F, G, E

Penetrador: 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

Formula: HRB, HRF, HRG, HRE = 130 - 500t

Ensayo de dureza por rebote

Se deja caer un martillo sobre la superficie del cuerpo que se ensaya y cuanto más duro es

el cuerpo, mayor es la altura a la que llega el martillo a rebotar. Esta altura da la medida de la

dureza.

Ensayo de dureza Poldi

Se comprime una esfera de acero al mismo tiempo sobre el cuerpo que se ensaya y sobre

una placa que sirve de comparación, ya sea por la presión de un tornillo de banco, ya por medio de

un golpe de martillo. Se miden las dos huellas así obtenidas y por medio de una tabla de reducción

se obtiene la dureza Brinell.



ENSAYO DE RESILIENCIA

Existen otros ensayos destructivos que permiten evaluar la resistencia del material frente,

por ejemplo, al impacto (o resiliencia). El ensayo Charpy permite calcular cuánta energía logra

disipar una probeta al ser golpeada por un pesado péndulo en caída libre (Figura 1). El ensayo

entrega valores en Joules, y éstos pueden diferir fuertemente a diferentes temperaturas. La

Figura 2 permite evaluar la diferencia entre probetas antes y después del ensayo.

Figura 1

Máquina para pruebas de impacto

Figura 2

Probetas de un ensayo de impacto

El ensayo de impacto consiste en dejar

caer un pesado péndulo, el cual a su paso golpea una probeta que tiene forma paralelepípeda

ubicada en la base de la máquina.

La probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de la fisura; este entalle recibe

el nombre de V-Notch. Luego de golpear la probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando una

cierta altura que depende de la cantidad de energía disipada al golpear. Las probetas que fallan

en forma frágil se rompen en dos mitades, en

cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan

sin romperse. Este comportamiento es muy

dependiente de la temperatura y la

composición química, esto obliga a realizar el

ensayo con probetas a distinta temperatura,

para evaluar la existencia de una "temperatura

de transición dúctil-frágil". Este ensayo se

lleva a un gráfico como el mostrado en la

Figura 3 en donde se puede apreciar un fuerte

cambio en la energía disipada para algunos

aceros de bajo carbono. Mientras que el níquel

no muestra una variación notable.

Figura 3. Resultados de pruebas de impacto para varias aleaciones, medidos a través de un intervalo de temperatura



ENSAYO DE TRACCIÓN

El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción y es el ensayo más

frecuentemente realizado en los materiales que se emplean para la construcción de máquinas,

porque nos suministra las más importantes propiedades necesarias para formar juicio cobre el

material.

Aquí se coloca 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. Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la Figura 4.

La máquina de ensayo impone la deformación

desplazando el cabezal móvil a una velocidad seleccionable.

La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una

señal que representa la carga aplicada, las máquinas poseen

un plotter que grafica en un eje el desplazamiento y en el

otro eje la carga leída.

Figura 4 Máquina de Ensayo de Tracción

Estudio de la tracción

Ninguna construcción debe estar sometida a cargas que sobrepasen el límite de elasticidad

del material de cualquiera de sus partes, mas aun se debe permanecer por debajo de ese límite

para contar con un margen de seguridad que permita afrontar cualquier contingencia imprevista.

La Figura 5 muestra el gráfico obtenido en una máquina de ensayo de tracción para un

acero.

Figura 5

Curva Fuerza-Deformación de un Acero.

Las curvas tienen una primera parte

lineal llamada zona elástica, en donde la

probeta se comporta como un resorte: si se

quita la carga en esa zona, la probeta

regresa a su longitud inicial.



Diagrama de rotura por tracción

Alargamiento:( ) referido a una magnitud

medida L, tendrá la expresión L

l

Límite de elasticidad: ( E ) es la tensión

hasta la cual no se presentan

deformaciones permanentes.

222 mm

N

mm

kg

cm

kg

F

PE

Límite aparente de elasticidad: ( S ) es la tensión para la que a pesar de que la deformación crece la

aguja indicadora de la máquina de ensayos se para o retrocede.

Límite de proporcionalidad: ( P ) cuando las cargas no son demasiado grandes las tensiones son

proporcionales a las dilaciones (Ley de Hooke, E

)

Carga de rotura por tracción: ( B ) se calcula refiriendo la máxima carga que resiste la probeta a la

sección primitiva.

Ley de Hooke

1º. Todo esfuerzo ejercido sobre un cuerpo lo deforma.

2º. La deformación es proporcional al esfuerzo mientras persiste la deformación.

3º. Recíprocamente, todo cuerpo deformado ejerce un esfuerzo mientras persiste la

deformación, siendo el esfuerzo proporcional a esta.

E -

TOALARGAMIEN

ticoLímiteElásticoMóduloElás

El módulo de elasticidad de un material es la relación entre las tensiones y las deformaciones

correspondientes (constantes). La tendencia moderna es sustituir E por su inversa ( E

1) llamado

coeficiente de alargamiento

(

kg

cm 2

)

Coeficiente de seguridad

Para impedir que un material pueda exceder su límite elástico se limita el esfuerzo a una fracción de

éste, S

E o bien

S

B. El Divisor S es el coeficiente de seguridad, sus valores dependen de las

características del material, la naturaleza del esfuerzo y de las condiciones de trabajo. En el hierro y el acero S varía de 2 a 3 o bien de 2 a 1,5; para fundición de 7 a 10 y para maderas y las rocas de 7 hasta 20 en casos muy desfavorables.



Tensión admisible o coeficiente de trabajo

El cociente entre el límite elástico por el coeficiente de seguridad es la tensión máxima que

se acepta para que un material trabaje en condiciones de seguridad. Esta tensión se llama tensión

admisible o coeficiente de trabajo.

S

Ead

Si en la ecuación de equilibrio sustituimos por ad tendremos:

S

Pad

La figura 6 muestra la forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga máxima

y luego de la ruptura.

Figura 6

La figura 7 ilustra una probeta al inicio del ensayo indicando las medidas iniciales

necesarias.

Figura 7

Analizando las probetas después de rotas, es posible medir dos parámetros: El

alargamiento final Lf (Figura 8) y el diámetro final Df , que nos dará el área final Af .

Figura 8



Los parámetros de reducción de área y el

porcentaje de alargamiento son las medidas normalizadas

que definen la ductilidad del material, que es la

capacidad para fluir, es decir, la capacidad para alcanzar

grandes deformaciones sin romperse. La fragilidad se

define como la negación de la ductilidad. Un material

poco dúctil es frágil. La Figura 9 permite visualizar

estos dos conceptos gráficamente.

Figura 9

El área bajo la curva fuerza - desplazamiento (F versus D L) representa la energía disipada

durante el ensayo, es decir la cantidad de energía que la probeta alcanzó a resistir. A mayor

energía, el material es más tenaz.

En los siguientes ejemplos de curvas s - e se puede observar las características de cada

material: el hule muestra una gran ductilidad al alcanzar una gran deformación ante cargas

pequeñas; el yeso y el carburo de tungsteno muestran poca ductilidad, ambos no tienen una zona

plástica; se rompen con valores bajos de elongación: son materiales frágiles. La única diferencia

entre ellos es la resistencia que alcanzan.

Figura 10

Distintas curvas s - e , s en (1000 lb/pulg2).



Los diagramas esfuerzo-deformación de diversos materiales varían ampliamente y

diferentes ensayos de tensión con el mismo material pueden producir resultados diferentes de

acuerdo con la temperatura de la probeta y la velocidad de carga. Sin embargo, es posible

distinguir algunas características comunes a los diagramas de varios grupos de materiales y

dividirlos en dos amplias categorías: materiales dúctiles y materiales frágiles, conceptos

definidos anteriormente.

Durante el ensayo de tracción, si se descarga la probeta, luego de alcanzar la zona plástica,

pero antes de producirse la ruptura, la curva s - e cambia de forma. La longitud de la probeta

tiende a recuperarse, pero no alcanza la longitud inicial, quedando con un longitud mayor, que se

denomina deformación permanente. A nivel gráfico, la curva se devuelve con la pendiente de la

zona elástica (Figura 11).



ENSAYO DE FATIGA

Además de los ensayos destructivos y no destructivos anteriormente expuestos, existen

muchos otros ensayos particulares para evaluar la capacidad de un material para una aplicación

específica. Las normas internacionales (ASTM, SAE, API) indican la forma en la cual deben

realizarse los ensayos y los criterios de aceptación y rechazo.

Un ensayo especial es el ensayo de fatiga con probeta rotatoria (Figura 12), en el cual una

probeta se hace girar por medio de un motor, mientras se le aplica una carga conocida. La probeta

queda sometida a una flexión alternada, que se traduce en que un punto cualquiera de la probeta

queda sometido a un ciclo de cargas que va de tracción a compresión. Esto produce fisuras que se

van propagando lentamente, reduciendo el área hasta un punto tal en que la probeta no pueda

resistir la carga aplicada y se rompe.

Figura 12

Máquina de Ensayo de Fatiga.

Figura 13 Probeta

Estandarizada del Ensayo de Fatiga

La Figura 13 muestra la probeta estandarizada que se usa en este ensayo.

Variando el peso aplicado en el ensayo, y anotando la cantidad de ciclos que la probeta

resistió antes de romperse, se puede obtener el gráfico de la Figura 13.

La curva es decreciente hasta el

millón de ciclos, luego de los cuales la

probeta no se rompe. Esta carga que

no logra romper la probeta, es la

carga de vida infinita y el esfuerzo

que provoca es el llamado límite de

resistencia a la fatiga: Se .

Este valor Se se utilizará para

diseñar elementos sometidos a

cargas fluctuantes, como es el caso

de los ejes en general.

Figura 13



ENSAYO DE LA CHISPA DE ESMERILADO

Si se acerca una probeta de acero a una muela de esmeril en movimiento, los granos de la

muela arrancan pequeñas partículas de acero calentándolas hasta la temperatura de fusión. Las

partículas proyectadas dejan tras de sí una estela corta o larga, continua o interrumpida, en

función de la presión ejercida y la posición de la probeta, distinguiéndose las formas de púas,

floreadas, de aspa, de gota y de lanza.

Las probetas templadas dan generalmente una chispa algo más clara y viva que las mismas

probetas en estado recocido o bonificado.

Los aceros para herramientas aleados con molibdeno producen estelas terminadas en punta

de lanza. El acero aleado con cromo y vanadio da estelas interrumpidas con chispas terminadas en

formas de lenguas. Los aceros rápidos producen haces de trazos casi sin explosiones de carbono.

El material a ensayar puede determinarse mejor si al mismo tiempo, o poco después, se

esmerila un acero cuya composición sea la misma y se compara con la probeta.

ENSAYOS TECNOLÓGICOS

En estos ensayos suelen considerarse solamente la capacidad de deformación a la

temperatura ordinaria o a la temperatura de forja, sin medir la fuerza ni el trabajo.

El ensayo de doblado sirve para demostrar la facilidad de curvar el material a la

temperatura ordinaria.

La forjabilidad de obtiene forjando un acero plano repetidamente, calentándolo, hasta que

aparezcan grietas en los bordes. El ensanchamiento debe ser de 1 a 1 ½ veces la anchura primitiva

sin que aparezcan grietas.

La facilidad de soldadura en la fragua se prueba soldando por recubrimiento dos barretas

de ensayo en la forma acostumbrada en los talleres. De un modo análogo debe ensayarse la

soldadura con gas o de arco voltaico, así como con electrodos, para ver la calidad de la misma.

Junto con la resistencia y la deformabilidad de las probetas soldadas, en las soldaduras de aceros

a mas de 500Kg/mm2 es necesario ensayar si el material soldado admite sin agrietarse trabajos

de calado a presión.

El ensayo de doblado en un sentido y en le otro se lleva a cabo para los alambres y planchas

delgadas.

Las planchas que deben sufrir deformaciones muy fuertes por embutición o prensado se

someten al ensayo de embutido.

Con el aparato de embutir de Erichsen se clava un macho redondeado en la plancha de

ensayo colocada entre la matriz y el sujetador, midiendo la profundidad a que baja el macho

hasta que la plancha se agrieta.



Los roblones se ensayan para hallar su facilidad de estampación por medio de recalcado en

frío y en caliente.

Los tubos se prueban abocardándolos con un macho cónico y además rebordeándolos. Sus

tensiones interiores se prueban aserrándolos según su generatriz y viendo si tiende a abrirse o a

cerrarse al corte.

PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO METALOGRÁFICOS

Por ensayo metalográfico se entiende la obtención y valoración de micrografías. Las

probetas de material se rectifican y pulen con el fin de eliminar las rugosidades procedentes de

la fabricación y poder reconocer fallos del material tales como: inclusiones de escoria, óxidos y

sulfuros, así como grietas, poros y burbujas de gas.

Si se aplican ácidos a la superficie (soluciones mordientes), se colorean los componentes de

la textura o se vuelven rugosos. Bajo la acción de una fuente de luz, las probetas tratadas de

esta forma, vistas al microscopio muestran diferencias de luminosidad, debido a que los colores o

irregularidades reflejan la luz de forma distinta. En cierto modo aparece la imagen de la textura

PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO NO DESTRUCTIVOS

A continuación se presenta una lista con algunos de los ensayos utilizados con fines más

puntuales:

Rayos X en uniones soldadas (Soldaduras peligrosas como balones de gas). Tintas penetrantes (Controles de calidad de fundición y forja para ubicar grietas). Partículas Magnéticas. Ultrasonido (Puede medir hasta el espesor de una capa de pintura). Corrosión. Propagación de fisuras. Microscopio Electrónico. Ensayo de Doblado.

ENSAYO CON RAYOS X

Los rayos X y los rayos gamma atraviesan los cuerpos sólidos. La imagen, ya sea sobre una

pantalla o sobre una placa fotográfica, de los rayos que atraviesan el material, permiten ver

todos los puntos de fallo, tales como poros, grietas, escoria en los cordones de soldadura, etc.



ENSAYO DEL POLVO MAGNÉTICO

Se emplea para determinar grietas, inclusiones de cuerpos extraños y poros en la

superficie o en sus proximidades. Con un aparato magnetizador se crea en la probeta un campo

magnético intenso. Como polvo magnético se utiliza polvo de hierro coloreado, que se espolvorea

encima de la pieza.

En los puntos donde hay grietas o poros se distorsionan las líneas de fuerza y el polvo de

hierro se acumula.

ENSAYOS ULTRASÓNICOS

En el ensayo de materiales con ultrasonido se utilizan ondas ultrasónicas con frecuencias

del orden de 10 millones por segundo. Una cabeza emisora transmite las ondas hasta la pieza que

se está ensayando. Las ondas se propagan en el material, encuentran una grieta u otro fallo y se

produce una reflexión. Un receptor percibe las ondas reflejadas e indica el punto del fallo

PROCEDIMIENTO DE PENETRACIÓN

Se emplea para señalar fallos tales como grietas, arrugas, poros y fallos de aglomeración

que aparecen a menudo en la superficie de las piezas.

Después de una limpieza previa se aplica el producto penetrante, por ejemplo un colorante

rojo, por rociado o a brocha, sobre la pieza a ensayar. El producto que queda en la superficie de

ensayo se elimina mediante un limpiador intermedio (disolvente líquido o en bruma de vapor).

Después del lavado intermedio se aplica un revelador que aspira hasta la superficie el

producto que ha penetrado y que se ha quedado en los puntos de los fallos, y que además está

fuertemente coloreado, lo cual produce una señal clara y visible.

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