UNIDAD 6

ENSAYOS MECANICOS

De acuerdo a las Leyes de Newton:A toda accin corresponde una reaccin, de manera que cuando se aplica una fuerza externa a un cuerpo slido y este permanece esttico, se produce una reaccin interna que equilibra la fuerza externaLa magnitud de la reaccin interna es el esfuerzo y la consecuencia inmediata de la existencia de un esfuerzo es la deformacin

Efecto de una fuerza sobre un slido Esfuerzo.La magnitud del efecto es directamente proporcional a F e inversamente proporcional a A

Los materiales poseen una serie de caractersticas, entre las cuales destacan las propiedades mecnicas, tales como:DuctilidadMaleabilidadResistenciaDurezaTenacidadExisten ensayos que permiten determinar el comportamiento de un material ante la aplicacin de una carga. Los resultados de estas pruebas constituyen las propiedades mecnicas del material. Es conveniente, entonces, aclarar algo el significado de estos trminos.

Ductilidad: capacidad que tiene un material para deformarse sin romperse cuando est sometido a esfuerzos de traccin; por ejemplo en el estirado de un alambre.Maleabilidad: capacidad que presenta el material para soportar deformacin sin rotura sometido a compresin, caso de forja o laminado.Elasticidad: capacidad de un material que ha sido deformado para regresar a su estado y tamao original, cuando cesa la accin que ha producido la deformacin. Cuando el material se deforma permanentemente, de tal manera que no pueda regresar a su estado original, se dice que ha pasado su lmite elstico.

Dureza: Mide la resistencia a la penetracin sobre la superficie de un material, efectuada por otro material.Resistencia: se definen varias; por ejemplo, resistencia a la traccin es la carga (Fuerza) mxima por unidad de rea que puede soportar el material al ser estirado. Los valores de resistencia son utilizados en todo lo que se refiere a diseo.Fragilidad: Lo opuesto a ductilidad. Un material frgil no tiene resistencia a cargas de impacto y se fractura an en cargas esttica sin previo aviso. Tanto la fragilidad como la ductilidad de un material son mediadas arbitrarias, pero puede decirse que un material con un alargamiento mayor de 5% es dctil y menor de 5% es frgil. Se pueden clasificar los materiales en frgiles y dctiles, habiendo dentro de ellos diferentes grados.

Tenacidad: Es la energa absorbida por el material durante el proceso de deformacin y ruptura; est directamente relacionada con la resistencia y ductilidad. Por ejemplo, el vidrio, el hierro fundido y el acero endurecido son poco tenaces, porque sus ductilidades son muy bajas y en algunos casos casi cero, aunque tienen una buena resistencia (bastantes duros). Un metal como el cobre es bastante tenaz, pues tiene una buena resistencia y buena ductilidad. Mientras que una "goma de mascar" tiene menos tenacidad, ya que aunque la ductilidad es enorme su resistencia es muy baja.

Plasticidad: Es la habilidad de un material para adoptar nuevas formas bajo la presin y retener esa nueva forma. El rango de adaptacin puede variar considerablemente de acuerdo con el material y sus condiciones.Esfuerzo: Fuerza aplicada a un rea conocida.

Ensayos Mecnicos. Tensin (tension test)Dureza (hardness test)Torsin (torsion test)Fractura (fracture mechanics)Fatiga (fatigue)Creep (Creep and stress rupture)Impacto y fractura frgil (brittle fracture and impact testing)

ComposicinMicroestructura

Ensayo de tensinEl Ensayo de traccin se realiza bajo la norma ASTM E-8 ASTM A 370, o bien la norma chilena NCH 200, entre otras.

Esfuerzo: Fuerza por unidad de rea. El esfuerzo para una carga axial tensil o una compresiva, se calcula como la carga por unidad de rea, (psi) o (MPa).Resistencia: Oposicin que ofrece el cuerpo al esfuerzo aplicado; se mide en las mismas unidades que el esfuerzo.Deformacin: Cambios en las dimensiones del cuerpo debido al esfuerzo. La deformacin total en cualquier direccin es el cambio total de una dimensin del cuerpo en esa direccin, y la deformacin unitaria es la deformacin por unidad de longitud en esa direccin. (0/1) o (%).

Deformacin unitariaConsideremos a la barra de seccin constante que soportan una carga axial P en su extremo. Bajo la accin de la carga, la barra sufrir una deformacin que denominaremos con la letra griega (delta) (psilon): deformacin unitaria : deformacin total (LF LI )L : longitud original

Se coloca una probeta estndar (0,505 pulg de dimetro y longitud calibrada de 2 pulg) en una mquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra mvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza mvil.Equipamiento para el ensayo de tensin

Esquema de probetas que se utilizan en el ensayo de traccin

Probetas normalizadas.

Esfuerzo y deformacin ingenierilesLos resultados de un ensayo se aplican a todos los tamaos y secciones transversales de un material, siempre que la fuerza se convierta en esfuerzo y la distancia entre las marcas de calibracin se conviertan en deformacinEsfuerzo ingenieril

Deformacin ingenierilA0: rea seccin transversal originalIo: distancia original entre marcas de calibracinI: cambio de longitud despus de haber aplicado el esfuerzo

En ingeniera la carga o esfuerzo se mide como:

Curva esfuerzo deformacin para una aleacin de aluminio

Curvas tensin deformacin de algunos metales y aleaciones

Propiedades obtenidas en el ensayo de tensin Esfuerzo de cedencia (esfuerzo de fluencia): esfuerzo que divide los comportamientos elsticos y plsticos del material. El valor crtico del esfuerzo necesario para iniciar la deformacin plstica se llama lmite elstico del material. En los materiales metlicos es el esfuerzo necesario para iniciar el movimiento de las dislocaciones.El lmite elstico puede definirse como el esfuerzo mnimo al que ocurre la primera deformacin permanente.

Resistencia a la tensin (resistencia a la traccin): esfuerzo obtenido con la mxima fuerza aplicadaEs el esfuerzo mximo, basado en la seccin transversal original, que puede resistir un material. Es el esfuerzo en el cual comienza la estriccin en los materiales dctiles Deformacin localizada durante el ensayo de tensin de un material dctil, produciendo una regin de cuello

Esfuerzo de ruptura: es el esfuerzo basado en la seccin original, que produce la fractura del materialLa deformacin se concentra en la zona del cuello, provocando que la fuerza deje de subir. Al adelgazarse la probeta, la fuerza queda aplicada en menor rea, provocando la ruptura.Esquema de la secuencia de ruptura de las probetas en un ensayo de traccin

Mdulo de elasticidad o mdulo de Young (E): es el valor de la pendiente de la parte recta del diagrama esfuerzo v/s deformacin unitaria Ley de HookeEs una medida de la rigidez de un material

Tiene una estrecha relacin con la energa de enlace atmico, por lo tanto es mayor para materiales de punto de fusin alto.Un alto mdulo de elasticidad indica que se necesitan grandes fuerzas para separar los tomos y producir la deformacin elstica del metal.

ResilienciaEs la capacidad de un material para absorber energa cuando es deformado elsticamente y devolverla cuando se elimina la cargaMdulo de resiliencia: Corresponde a la energa de deformacin por unidad de volumen requerida para deformar el material hasta el lmite elstico

Tenacidad a la tensin: capacidad de absorber energa en el campo plstico, antes de fracturarse (trabajo de fractura). Se determina como el rea bajo la curva esfuerzo- deformacin ingenieril. Esta superficie es una indicacin del trabajo total, por unidad de volumen que puede realizarse sobre el material sin que se produzca roturaComparacin de las curvas tensin-deformacin de dos aceros, con alta tenacidad y baja tenacidad

Ductilidad: mide la cantidad de deformacin que puede resistir un material sin romperse.El % de elongacin describe la deformacin plstica permanente antes de la falla.La reduccin porcentual del rea describe la cantidad de adelgazamiento que sufre la muestra durante el ensayo

Comportamiento dctil y frgilEl comportamiento de los materiales bajo carga se puede clasificar como dctil o frgil segn que el material muestre o no capacidad para sufrir deformacin plstica.

Propiedades tpicas promedio de algunos materiales metlicos

MaterialF (Mpa)M (Mpa)E (Gpa)Acero inoxidables280 700400 1000190 210Acero alta resistencia340 - 1000550 1200190 210Bronce comercial82 690200 83036 44Latn laminado70 550200 62036 41Aluminio 2014-T641048028Cobre 55 - 760230 - 83040 47

Esfuerzo real y deformacin realCurva tpica de traccin hasta la fractura, punto F. La resistencia a la traccin est indicada en el punto M.

Esfuerzo real y deformacin realA: rea real a la que se aplica la fuerza FLa expresin ln(A0/A) solo se puede usar antes de comenzar la formacin de cuello.

Comparacin entre la curva tensin deformacin real y la curva tensin deformacin convencional de un acero de bajo carbono

El efecto de la temperatura (a) sobre la curva esfuerzo-deformacin (b) sobre las propiedades de tensin de una aleacin de aluminioVariables que afectan a la curva de tensin:

Mdulo de elasticidad (mdulo de Young)

MaterialTamb477 K700 K810 K922 KAcero al Carbono207186155134124Acero inoxidable austentico193176159155145Aleaciones de titanio114977470Aleaciones de aluminio726654

Ensayo de CompresinUn ensayo de compresin se realiza de forma similar a un ensayo de traccin, excepto que la fuerza es compresiva y la probeta se contrae a lo largo de la direccin de la fuerza. Esfuerzo ingenieril

Deformacin ingenierilA0: rea seccin transversal originalIo: distancia original entre marcas de calibracinI: cambio de longitud despus de haber aplicado el esfuerzoPor convencin, una fuerza de compresin se considera negativa y, por tanto, produce un esfuerzo negativo.

Los ensayos de compresin se utilizan cuando se desea conocer el comportamiento del material bajo grandes deformaciones permanentes (deformacin plstica), tal como ocurren en los procesos de conformacin, o bien cuando tiene un comportamiento frgil a traccin

Las conclusiones sobresalientes de estas pruebas las podemos resumir en la siguiente forma: Los materiales dctiles presentan los mismos valores en sus caractersticas tanto en tensin como en compresin. Los materiales frgiles no presentan punto de fluencia en ningn caso y el esfuerzo de ruptura coincide con el esfuerzo mximo. Los materiales frgiles presentan una resistencia mxima mucho mas elevada en compresin que en tensin. Por ejemplo, en el caso de la fundicin gris, esta relacin es aproximadamente 4:1.

Ensayo de durezaLa dureza implica, en general, una resistencia a la deformacin permanente.Puede significar: Resistencia a la penetracin (mecnica del ensayo de materiales) Resistencia y tratamiento trmico (ingeniero de diseo)Segn la forma del ensayo: Dureza al rayado Dureza a la penetracin Dureza al rebote o dinmica

Ensayo de dureza Rockwell Ensayo de dureza Brinell Ensayo de dureza Vickers

Dureza BrinellEl ensayo consiste en comprimir sobre la superficie del metal, una bola de acero de 10 mm de dimetro con una carga de 3000 kg.- En los materiales blandos, se reduce la carga a 500 kg. En metales muy duros se emplea una bola de carburo de wolframio La carga se aplica por un periodo de tiempo normalizado, generalmente de 30 seg, luego se mide la huella con un microscopio.

F : carga aplicada en kgD : dimetro del penetrador en mmDi : dimetro de la impresin en mmDureza Brinell:(kg/mm2)Esquema del ensayo de dureza Brinell Resistencia a la tensin = 500 BHN.

Dureza VickersSe emplea como identador una pirmide de diamante de base cuadrada, las caras opuestas de la pirmide forman un ngulo de 136 (corresponde a la relacin ptima de dimetro de huella a dimetro de bola en el ensayo Brinell)Se define como la relacin de la carga al rea de la superficie de la huella.Sus cargas van de 5 a 125 kilogramos (de cinco en cinco). Se emplea Vickers para laminas tan delgadas como 0.006 pulgadas

P: carga aplicada en kgL: media de la longitud de las dos diagonales en mm: ngulo formado por las caras opuestas de la pirmide diamante = 136

Dureza RockwellEl ensayo utiliza la profundidad de la penetracin bajo carga constante, como medida de la dureza.La maquina de ensayo mide en forma automtica la profundidad de penetracin del indentador, y la convierte en un nmero de dureza Rockwell (HR)

El ensayo es aplicable a todo tipo de materiales metlicos: Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar al del ensayo Brinell. Duros. Se utiliza como penetrador un cono de diamante de 120 de ngulo de vrtice redondeado en la punta. Se usan cargas normalizadas de 60, 100 y 150 kilogramos Pequeos espesores en materiales blandos o duros. Es el caso de flejes, chapas delgadas o tambin sobre capas endurecidas, cementadas o nitruradas. En este supuesto se usa la modalidad de pequeas cargas especificadas en la norma, 3 kilogramos de precarga y 15, 30 o 45 kilogramos de carga. Se conoce este tipo de ensayos como Rockwell superficial.

(a) Durmetro para dureza Rockwell (b) Etapas para la medida de la dureza con un penetrador cnico de diamante. La profundidad t determina la dureza del material

Ensayos Rockwell normalizados.

ESCALACARGA (kg)PENETRADORMATERIALES TIPICOS PROBADOSA60Cono de diamanteMateriales duros en extremo, carburos de wolframio, etc.B100Bola de 1/16"Materiales de dureza media, aceros al carbono bajos y medios, latn, bronce, etc.C150Cono de diamanteAceros endurecidos, aleaciones endurecidas y revenidas.D100Cono de diamanteAcero superficialmente cementado.E100Bola de 1/8"Hierro fundido, aleaciones de aluminio y magnesio.F60Bola de 1/16"Bronce y cobre recocidos.G150Bola de 1/16"Cobre al berilio, bronce fosforoso, etc.H60Bola de 1/8"Placa de aluminio.K150Bola de 1/8"Hierro fundido, aleaciones de aluminio.L60Bola de 1/4"Plsticos y metales suaves, como el plomo.

Ensayo de impacto (Norma ASTM E-23)Cuando un material se somete a un golpe repentino y violento, donde la velocidad de deformacin es extremadamente rpida, se puede comportar en una forma mucho ms frgil que la que se observa en el ensayo de tensin.Se utiliza el ensayo de impacto para evaluar la fragilidad de un material. Ensayo de Charpy: metales, aleaciones, cermicas Ensayo de Izod: plsticos

El ensayo de impacto (a) ensayo de Charpy e Izod (b) dimensiones de muestras normales

Durante el ensayo, un pndulo pesado (45 kg) que inicia su movimiento a una altura h0, describe un arco, golpea y rompe la probeta, y llega a una altura final hf menor.Si se conocen las alturas inicial y final del pndulo, se puede calcular la diferencia de la energa potencial.Esta diferencia es la energa de impacto que absorbi la muestra cuando fall

La probeta posee un entalle estndar para facilitar el inicio de la fisura. Las probetas que fallan en forma frgil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse. Fotografas de probetas, antes y despus del ensayo

Ensayo de Charpy: joule (J), lb pie Ensayo de Izod: J/m, lb pie/pulg1 lb pie = 1,356 JLos valores obtenidos en este ensayo pueden diferir fuertemente si se realiza a diferentes temperaturas La capacidad de un material para resistir el impacto de un golpe se llama tenacidad al impacto

Propiedades que se obtienen en el ensayo de impacto:Temperatura de transicin de dctil a frgil: es aquella a la cual un material cambia de un comportamiento dctil a un comportamiento frgil.Un material sujeto a cargas de impacto durante las condiciones de servicio deber tener una temperatura de transicin por debajo de la temperatura de operacin determinada por el ambiente que rodea al material.

Ensayos de impacto para un polmero termoplstico de nylon supertenaz

No todos los materiales tienen una temperatura de transicin definidaLa estructura cristalina FCC normalmente absorbe mayor energa, sin mostrar temperatura de transicin

Influencia del contenido de carbono sobre el comportamiento dctil-frgil de un acero de baja aleacin:

Relacin con el diagrama esfuerzo-deformacin: La energa necesaria para romper un material durante un ensayo de impacto, es decir, la tenacidad al impacto, no siempre se relaciona con la tenacidad a la tensin (es decir, el rea contenida dentro del diagrama esfuerzo-deformacin real)

En general, los metales que tienen alta resistencia y gran ductilidad, tienen buena tenacidad a la tensin, sin embargo, pueden presentar comportamiento frgil cuando estn sujetos a velocidades de deformacin alta, es decir, pueden mostrar pobre tenacidad al impacto, ya que la velocidad de deformacin puede desplazar la transicin de dctil a frgil.Los cermicos y muchos materiales compuestos tienen normalmente tenacidad muy baja, aunque alta resistencia.

Ensayo de Tenacidad Liberty Ships:2700 fabricados400 fisurados20 se partieron en dosTitanic

Ejemplo: Se obtuvieron los siguientes datos de tensin-deformacin de un acero o,2% C

Esfuerzo (ksi)DeformacinEsfuerzo(ksi)Deformacin03055606872747500,0010,0020,0050,010,020,040,06767573696556510,080,100,120,140,160,180,19 (fractura)

Dibuje la curva tensin-deformacinDetermine la resistencia de cedencia con el criterio del 0,2% de deformacin convencionalDetermine la resistencia a la traccin del aceroEl mdulo de elasticidadMdulo de resistencia

EjemplosSe aplica una fuerza de 850 lb a un alambre de nquel de 0,15 pulg de dimetro, que tiene una resistencia de cedencia de 45.000 psi y una resistencia a la tensin de 55.000 psi. Determine:Si el alambre se deformar plsticamenteSi el alambre tendr formacin de cuello2. Una probeta de acero al carbono 1030 de 0,50 pulg. de dimetro se ensaya hasta la fractura . El dimetro de la probeta en la zona de la fractura fue de 0,343 pulg. Calcule el porcentaje de estriccin de la muestra.

3. Un cable de acero tiene 1,25 pulg de dimetro y 50 pies de longitud, y con l se levanta una carga de 20 toneladas. Cul es la longitud del cable durante el izamiento? El mdulo de elasticidad del acero es 30 x 106 psi.4. Cuando se aplica una carga de 3.000 kg a una esfera de 10 mm de dimetro en un ensayo Brinell de un acero, se produce una penetracin de 3,1 mm de dimetro. Estime la resistencia del acero a la tensin.

5. Se efecto una serie de ensayos de impacto Charpy sobre cuatro aceros, con distinto contenido de magnesio, cuyos resultados se muestran en tabla 1. Grafique los datos y determine: La temperatura de transicin (determinada como la media de las energas absorbidas en las regiones dctil y frgil)La temperatura de transicin (definida como la temperatura que proporcionan 50 J de energa absorbida)Grafique la temperatura de transicin en funcin del contenido de magnesio y analice el efecto de este elemento sobre la tenacidad del acero. Cul sera el contenido de magnesio mnimo posible en el acero si una pieza fabricada con l debe utilizarse a 0 C?

Tabla 1: Resultados de ensayo de Charpy