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ENSAYOS DE MATERIALES] Ciencia de los materiales

ÍNDICE: Introducción

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Objetivos

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Ensayo de materiales

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Ensayo de tensión o tracción

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Ensayo de compresión

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Ensayo de impacto

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Ensayo de fatiga

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Ensayo de dureza o penetración

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Ensayo de termofluencia

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Conclusiones

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Bibliografía

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INTRODUCCIÓN: En la actualidad existe gran diversidad de materiales, sin embargo cada uno de estos tiene su aplicación especifica según sean sus requerimientos; pero para poder definir un uso especifico estos mismos son sometidos a diversas pruebas adecuadas para la aplicación que serán útiles, bien sean estas a esfuerzos extremos, vibraciones, cambios de temperatura, tensiones, compresiones o incluso una combinación de esfuerzos. En el presente trabajo escrito se hace mención de algunas generalidades de estos ensayos de materiales y a los tipos de materiales que generalmente se aplican este tipo de ensayos y como se pueden comportar al estar sometidos a las representaciones de fuerzas que en la realidad podría estar expuesto el material de muestra.

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Objetivos: Generales: 

Adquirir conocimiento acerca de los comportamientos de los materiales según sea la carga o fuerza aplicada según condiciones especificas

Específicos:  

Conocer los diversos tipos de ensayos a los cuales pueden ser sometidos los materiales de ingeniería. Conocer qué tipo de ensayo se debe aplicar a los materiales según su aplicación.

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ENSAYOS DE MATERIALES] Ciencia de los materiales ENSAYO DE MATERIALES: Ensayo de materiales: Se denomina ensayo de materiales a toda prueba cuyo fin es determinar las propiedades mecánicas de un material. Algunas propiedades evaluadas en estos ensayos son:      

Elasticidad Dureza Embutibilidad Resiliencia Ductilidad Maleabilidad

Los ensayos en materiales pueden ser de dos tipos, Ensayos destructivos o Ensayos no destructivos, estos últimos muy importantes en los controles de calidad. Ensayos Destructivos típicos: son los ensayo a tracción del que se obtiene la curva de comportamiento del material, el de compresión, y torsión, para caracterizar mecánicamente el solido. Ensayos no destructivos típicos: son los ultrasonidos, para encontrar grietas profundas, el ensayo con corrientes, para medir a través de las corrientes inducidas el espesor de la pintura en una superficie, y el de campo magnético, que permite a simple vista encontrar grietas superficiales muy pequeñas.

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ENSAYOS DE MATERIALES] Ciencia de los materiales ENSAYO DE TENSIÓN O TRACCIÓN: Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos para medir su comportamiento en distintas situaciones. El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción, en donde 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 1.

Figura 1 máquina de ensayo de tracción 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. La Figura 2 muestra el gráfico obtenido en una máquina de ensayo de tracción para un acero.

Figura 2 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.

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ENSAYOS DE MATERIALES] Ciencia de los materiales Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, desde aquí el material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedaría más larga que al principio y se define que ha comenzado la zona plástica del ensayo de tracción. El valor límite entre la zona elástica y la zona plástica es el punto de fluencia. Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un máximo en F = Fmáx. Entre F = Ffl y F = Fmáx la probeta se alarga en forma permanente y repartida, a lo largo de toda su longitud. En F = Fmáx la probeta muestra su punto débil, concentrando la deformación en una zona en la cual se forma un cuello. La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la carga deje de subir. Al adelgazarse la probeta la carga queda aplicada en menor área, provocando la ruptura. La figura 3 muestra la forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga máxima y luego de la ruptura.

Figura 3

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ENSAYOS DE MATERIALES] Ciencia de los materiales ENSAYO DE COMPRESIÓN: En ingeniería, el ensayo de compresión es un ensayo técnico para determinar la resistencia de un material o su deformación ante un esfuerzo de compresión. En la mayoría de los casos se realiza con hormigones y metales (sobre todo aceros), aunque puede realizarse sobre cualquier material. Se suele usar en materiales frágiles. La resistencia a compresión de todos los materiales siempre es mayor que a tracción. Se realiza preparando probetas normalizadas que se someten a compresión en una máquina universal. El esfuerzo de compresión es una presión que tiende a causar una reducción de volumen. Cuando se somete un material a una fuerza de flexión, cizalladora o torsión actúan simultáneamente fuerzas de torsión y compresión. Es la fuerza que actúa sobre un material de construcción, suponiendo que esté compuesto de planos paralelos, lo que hace la fuerza es intentar aproximar estos planos, manteniendo su paralelismo (propio de los materiales pétreos). Los ensayos practicados para medir el esfuerzo de compresión son contrarios a los aplicados al de tensión, con respecto a la dirección y sentido de la fuerza aplicada. Tiene varias limitaciones:  

Dificultad de aplicar una carga concéntrica o axial. Una probeta de sección circular es preferible a otras formas.

Maquinas universales para ensayo de compresión

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ENSAYOS DE MATERIALES] Ciencia de los materiales ENSAYO DE IMPACTO: Los ensayos estáticos de tracción permiten conocer la capacidad de resistencia y deformabilidad de un metal cuando se lo somete a un esfuerzo progresivo, aplicado lentamente, estas propiedades pueden variar según la naturaleza de las cargas y condiciones de trabajo a que se halle sometido, es conveniente analizar el comportamiento del material en experiencias de choque o impacto. Siendo las solicitaciones de choque o impacto de aplicación prácticamente instantánea, las ondas de tensión generadas pueden no propagarse, provocando la rotura por deformaciones localizadas. Por lo expuesto, las propiedades mecánicas de los materiales sometidos a efectos dinámicos de choque se ven sensiblemente modificadas, aunque los mecanismos de deformación plástica presumiblemente no varían con el modo de aplicación de la carga. Los ensayos de choque determinan, pues, la fragilidad o capacidad de un material de absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario para producir la fractura de la probeta de un solo impacto. Este nuevo concepto tampoco nos ofrece una propiedad definida del material, sino que constituye un índice comparativo de su plasticidad, con respecto a las obtenidas en otros ensayos realizados en idénticas condiciones, dado que no ite otra condición de comparación o semejanza. Por lo tanto, deben tenerse muy en cuenta los distintos factores que producen el efecto fragilizante. Otra aplicación del ensayo dinámico de choque es la de comprobar los distintos grados de revenido que pueden alcanzarse en los aceros, como también verificar el correcto recocido o forjado de los mismos, lo que muchas veces no es posible deducir de ensayos estáticos, pues dan valores similares hasta para aquellos mal tratados. En estos casos, el tratamiento defectuoso se pone de manifiesto en las pruebas de impacto sobre probetas entalladas, al obtener valores muy inferiores de su resiliencia. Energía de impacto: Los ensayos dinámicos de choque se realizan generalmente en máquinas denominadas péndulos o martillos pendulares, en las que se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura determinada, realizándose la experiencia en la mayoría de los casos, de dos maneras distintas según que la probeta rompa por flexionamiento (flexión por choque) o que su rotura se alcance por deformación longitudinal (tracción por choque). Los valores obtenidos en estos ensayos son únicamente comparables, en materiales con propiedades similares ya sean siempre dúctiles o frágiles, cuando se realizan sobre el mismo tipo de probeta y en idénticas condiciones de ensayo. La máquina de ensayo determinará el trabajo absorbido por el material cuando éste es roto de un solo golpe por la masa pendular y su valor en kgmf o Joule, o relacionándolo con la sección o volumen de la probeta, según el método nos indicará la resistencia al choque o capacidad del material para absorber cargas dinámicas de impacto (resiliencia).

El principio de funcionamiento de las máquinas utilizadas es el que ilustra esquemáticamente la figura 1, en donde una masa o peso G asegurada a una barra que puede girar libremente sobre un eje 0, es elevada a una altura h1, desde su posición vertical de reposo, la que también es posible indicar por el ángulo α1

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Figura 1 Si en estas condiciones se la deja caer y en el punto P, ubicado sobre la vertical del desplazamiento del péndulo, se coloca una barra de un material determinado, la masa al chocar con ella producirá su rotura, si la energía que posee el péndulo es mayor que la necesaria para alcanzarla, en cuyo caso continuará su trayectoria elevándose hasta una altura h2 indicada también por el ángulo α2 El trabajo empleado entonces en romper la barra será la diferencia entre la energía inicial del péndulo y la que posee al final de su carrera.

Maquina de péndulo o martillo para ensayos dinámicos

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ENSAYOS DE MATERIALES] Ciencia de los materiales ENSAYO DE FATIGA: En ingeniería y, en especial, en ciencia de 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. Un ejemplo de ello se tiene en un alambre: flexionándolo repetidamente se rompe con facilidad. La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes (puentes, aviones, etc.). Puede ocurrir a una tensión menor que la resistencia a tracción o el límite elástico para una carga estática. Es muy importante ya que es la primera causa de rotura de los materiales metálicos (aproximadamente el 90%), aunque también ocurre en polímeros y cerámicas Pruebas no destructivas superficiales: Estas pruebas proporcionan información acerca de la sanidad superficial de los materiales inspeccionados. Los métodos de PND superficiales son: VT - Inspección Visual PT - Líquidos Penetrantes MT - Partículas Magnéticas ET Electromagnetismo . En el caso de utilizar VT y PT se tiene la limitante para detectar únicamente discontinuidades superficiales (abiertas a la superficie); y con MT y ET se tiene la posibilidad de detectar tanto discontinuidades superficiales como sub-superficiales (las que se encuentran debajo de la superficie pero muy cercanas a ella). Pruebas no destructivas volumétricas: Estas pruebas proporcionan información acerca de la sanidad interna de los materiales inspeccionados. Los métodos de PND volumétricos son: RT - Radiografía Industrial UT - Ultrasonido Industrial AE - Emisión Acústica Estos métodos permiten la detección de discontinuidades internas y sub-superficiales, así como bajo ciertas condiciones, la detección de discontinuidades superficiales.

Carga a la que es sometido un espécimen en un ensayo de fatiga Maquina de ensayo de fatiga “Gunt wp 140”

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ENSAYOS DE MATERIALES] Ciencia de los materiales ENSAYO DE DUREZA O PENETRACIÓN: En metalurgia la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza. Por medio de este método obtenemos características mecánicas importantes en forma rápida y no destructiva y permiten realizar en piezas ya elaboradas. Dureza: La mayor o menor resistencia que un cuerpo opone a ser rayado o penetrado por otro" o "la mayor o menor dureza de un cuerpo respecto a otro tomado como elemento de comparación. Ensayo de penetración: Define la dureza como la resistencia a la penetración o resistencia a la deformación plástica que opone un material a ser presionado por un penetrador determinado y bajo la acción de cargas preestablecidas. Dureza Brinell: Consiste en comprimir sobre la superficie del material a ensayar una bolilla de acero muy duro durante un cierto tiempo (t) produciendo una impresión con forma a casquete esférico. Resulta de dividir la carga aplicada por la superficie dada del casquete.

Constante de ensayo: la resistencia de penetración varia con la solicitación y el penetrador => la dureza estará en función de la carga de ensayo y el diámetro de la bolilla. P / D² = cte. Penetradores: Bolilla de acero diámetro 15; 5; 2,5; 2; 1 mm. de acero hasta 450HB, de carburos (tungsteno) hasta 630 Hb. El tiempo de aplicación Aceros =>15 seg. , en metales blandos =>30seg. (no debe producirse efectos dinámicos). Cargas empleadas: 3000kgf - 1500kgf 500kgf

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ENSAYOS DE MATERIALES] Ciencia de los materiales Dureza Rockwell: Se calcula la dureza en base a la profundidad de penetración y la carga total no se aplica en forma continua. Hay una carga inicial y otra adicional (varia según las condiciones de ensayo). El valor se obtiene en directa del dial del indicador. La dureza esta dada por el incremento de penetración debido a la acción de la carga adicional y una vez suprimida ésta.

La carga inicial es de 10 kgf y las adicionales son de 50, 90 y 140 Kgf y los penetradores utilizados son: bolilla de 1/16”, 1/8”, ¼” y ½” o cono de diamante. Las escalas más usadas son HRC (con cono de diamante y carga de 150Kgf) y HRB (con bolilla de 1/16” y carga de 100 kgf). Dureza Rockwell superficial: existe una variante del ensayo, llamada Rockwell superficial, para la caracterización de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas de materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento superficial.

Dureza Vickers: Es semejante a la de Brinell o sea su valor depende de la carga aplicada y de la superficie de la impronta o huella. Las cargas varían de 1 a 120 kgf y el penetrador es una punta de diamante con forma piramidal.

Las más comunes son 30 y 50 kgf (Hv30 y HV50)

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ENSAYOS DE MATERIALES] Ciencia de los materiales Dureza Webster: emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas de difícil manejo como perfiles largos extruidos . El valor obtenido se suele convertir a valores Rockwell. Dureza Shore: emplea un escleroscopio. Se deja caer un indentador en la superficie del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. A mayor rebote -> mayor dureza. Aplicable para control de calidad superficial. Es un método elástico, no de penetración como los otros.

Durómetro Brinell y Rockwell

Durómetro Vickers

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ENSAYOS DE MATERIALES] Ciencia de los materiales EL ENSAYO DE TERMOFLUENCIA: Determina la fluencia o el cambio continuo en la deformación de un material, a temperaturas elevadas. Es un ensayo de gran peso cuando se selecciona el material para fabricar partes que transmiten potencia en maquinas a altas temperaturas. Consiste en someter a un esfuerzo constante a una probeta cilíndrica que se ha colocado previamente dentro de un horno para aumentar su temperatura. Cuando se aplica el esfuerzo de tensión la probeta se deforma obteniéndose así ε1 que luego se compara con la deformación unitaria ε a temperatura normal. Ensayo de fluencia: Si consideramos la termofluencia de un metal policristalino puro a una temperatura por encima de la mitad de su punto de fusión absoluto, ½ T.fusión, y con una muestra de tensión recocida se somete a una carga constante de suficiente magnitud para originar una deformación podemos representar el cambio en la longitud de la muestra, por encima de un periodo de tiempo, frente a incrementos de tiempo, obteniéndose así la curva de termofluencia adyacente.

OA-Zona de deformación elástica instantánea AB-Alargamiento decrece respecto al tiempo BC-Alargamiento proporcional al tiempo, zona de fluencia CD-Alargamiento crece con el tiempo

En esta curva idealizada se produce primero una instantánea y rápida elongación de la muestra. Posteriormente la muestra exhibe una etapa primaria en la que la rapidez de la deformación decrece progresivamente con el tiempo. Después de la etapa primaria de termofluencia tiene lugar una segunda etapa en la que la rapidez de la termofluencia se mantiene

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ENSAYOS DE MATERIALES] Ciencia de los materiales esencialmente constante y es por lo que también se refiere como termofluencia en estado estacionario. Finalmente en la tercera fase se produce un incremento exponencial de la rapidez de la termofluencia con el tiempo hasta la deformación para la que se produce la fractura. La forma de la curva de termofluencia depende fuertemente de la carga aplicada (esfuerzo) y de la temperatura. Esfuerzos y temperaturas elevadas aumentan la rapidez de la termofluencia. Durante la primera etapa, el metal se endurece por deformación para soportar la carga aplicada, y la rapidez de la termofluencia decrece con el tiempo a medida que el endurecimiento por deformación se hace cada vez más elevado. A altas temperaturas (valores superiores a 0,5Tf del metal) durante la segunda etapa, se restablece el proceso, involucrando dislocaciones muy móviles que contrarrestan el endurecimiento por deformación, tanto que el metal continúa alargándose (termofluencia) a una velocidad de estado estacionario. La pendiente de la curva de termofluencia (dε/dt=ε) en la segunda etapa se refiere como mínima rapidez de termofluencia. Durante la segunda etapa, la resistencia a la termofluencia del metal o aleación es más elevada. Finalmente, para una muestra sometida a caga constante, la rapidez a la termofluencia se acelera en la tercera etapa debido a la estricción de la muestra y, además, a la formación de vacíos, particularmente a lo largo de los límites de grano. A bajas temperaturas (inferiores a 0,4 T. fusión) y esfuerzos bajos, los metales presentan fatiga primaria pero prácticamente ninguna fatiga secundaria, ya que la temperatura es demasiado baja para la recuperación de la temperatura difusional. Sin embargo, si la tensión de un metal se encuentra por encima de la resistencia límite a la tensión, el metal se alargará en un ensayo ordinario de ingeniería de tracción. En general, si la tensión del metal que está sufriendo deslizamientos se ve incrementada, la rapidez de la termofluencia se verá también incrementada Los ensayos de termofluencia requieren un dispositivo en el cual se puede someter a un material a tensión, elevando la temperatura y midiendo la deformación existente para el mismo tiempo. Se suele realizar con un ensayo de tracción, con el mismo tipo de probetas pero en distinto horno, a temperatura constante y tensión constante, midiendo la deformación con el tiempo. También se pueden hacer ensayos a compresión (para materiales cerámicos). Para los materiales metálicos normalmente se hace a tracción. La resistencia a la termofluencia es independiente de la dirección de aplicación de la carga para la mayor parte de los materiales.

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CONCLUSIÓN: Un método seguro de estudio de los comportamientos de los materiales expuestos bajo determinadas condiciones, puede ser realizado por medio de ensayos de materiales, recreando las condiciones a las cuales este mismo esta expuesto, únicamente con una porción considerable de este mismo material para poder determinar si dicho material es apto o no para la tarea que tiene asignada. Utilizando el ensayo de materiales se puede aprovechar la aplicación de un material o materiales para diversos usos así como la determinación de un material adecuado para algún uso especifico.

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BIBLIOGRAFÍA:

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Ensayo de materiales; consultado el: 20 de diciembre de 2010; disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/Ensayo_de_materiales Ensayo de materiales a tensión; consultado el: 21 de diciembre de 2010; disponible en:http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/materials3.html Ensayo de materiales; consultado el 21 de diciembre de 2010; disponible en: http://www.wikiteka.com/apuntes/ensayos-de-materiales-dureza-traccion-resilienciacompresion-y-fatiga/ Ensayo de choques de materiales; consultado el: 21 de diciembre de 2010; disponible en: http://www.monografias.com/trabajos14/choque/choque.shtml Tipos de ensayos realizados a materiales; consultado el 20 de diciembre de 2010; disponible en: http://www.idoub.com/doc/25235633/TIPOS-DE-ENSAYOS-REALIZADO-ALOS-MATERIALES Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. William Smith. Editorial McGraw Hill, 2,004. Tercera Edición. La Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Donald Askeland. Editorial Iberoamericana.

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