UNIDAD 5ENSAYOS MECANICOS De acuerdo a las Leyes de Newton: A toda acción corresponde una reacción, de manera que cuando se aplica una fuerza externa a un cuerpo sólido y este permanece estático, se produce una reacción interna que equilibra la fuerza externa La magnitud de la reacción interna es el esfuerzo y la consecuencia inmediata de la existencia de un esfuerzo es la deformación Efecto de una fuerza sobre un sólido. La fuerza interna de reacción afecta los enlaces que mantienen unidas a las partículas del sólido, produciendo fuerzas entre ellos. La magnitud de la reacción en cada enlace depende de la magnitud de la fuerza aplicada y de la cantidad de partículas que resisten la acción de esa fuerza. La cantidad de enlaces que soporta tal fuerza esta directamente relacionada con el área transversal a la dirección en que actúa la fuerza. La magnitud del efecto es directamente proporcional a F e inversamente proporcional a A A P = o La resistencia de materiales: Se ocupa del estudio de los efectos causados por la acción de cargas externas que actúan sobre un sistema deformable. Analiza las fuerzas internas inducidas en sus diferentes componentes. Calcula las deformaciones correspondientes y las relaciones que existen entre la acción de las cargas externas y las fuerzas internas inducidas. En base al análisis, toma decisiones acerca de los materiales a usar, del tamaño y forma correcta de las piezas que componen un sistema dado, o bien, concluye si una pieza es capaz de resistir un sistema de cargas propuesto. Así, la Metalurgia Mecánica tiene las tareas de evaluar la magnitud de los esfuerzos y las deformaciones producidas y determinar si el metal tiene la suficiente resistencia para soportar esas fuerzas sin deformarse excesivamente o llegar a la fractura Ensayos mecánicos. Tensión (tension test) Dureza (hardness test) Torsión (torsion test) Fractura (fracture mechanics) Fatiga (fatigue) Creep (Creep and stress rupture) Impacto y fractura frágil (brittle fracture and impact testing) Composición Microestructura Conceptos básicos: Se han aceptado ciertos términos, los cuales son usados para describir las propiedades físicas y mecánicas de los materiales, y que se describen a continuación: Ductilidad: Es la habilidad de un material para deformarse antes de fracturarse. Es una característica muy importante en el diseño, puesto que un material dúctil es usualmente muy resistente a cargas por impacto. Tiene además la ventaja de “avisar” cuando va a ocurrir la fractura, al hacerse visible su gran deformación. Elasticidad: Es la habilidad que tiene un material que ha sido deformado de alguna manera para regresar a su estado y tamaño original, cuando cesa la acción que ha producido la deformación. Cuando el material se deforma permanentemente, de tal manera que no pueda regresar a su estado original, se dice que ha pasado su límite elástico. Fragilidad: Es lo opuesto de ductilidad. Un material frágil no tiene resistencia a cargas de impacto y se fractura aún en cargas estática 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 dúctil y menor de 5% es frágil. Se pueden clasificar los materiales en frágiles y dúctiles, habiendo dentro de ellos diferentes grados. Dureza: Mide la resistencia a la penetración sobre la superficie de un material, efectuada por un objeto duro. Maleabilidad: Es la propiedad que permite que un material se deforme mediante martilleo, rolado o prensado, sin romperse. La maleabilidad, se aumenta normalmente cuando el metal esta caliente. Plasticidad: Es la habilidad de un material para adoptar nuevas formas bajo la presión y retener esa nueva forma. El rango de adaptación puede variar considerablemente de acuerdo con el material y sus condiciones. Esfuerzo: Fuerza aplicada a un área conocida. Deformación unitaria Consideremos a la barra de sección constante que soportan una carga axial P en su extremo. Bajo la acción de la carga, la barra sufrirá una deformación que denominaremos con la letra griega o (delta) L o = c c (épsilon): deformación unitaria o : deformación total (L F – L I ) L : longitud original Ensayos mecánicos Deformación (unitaria) elástica Deformación restaurable, debido a un esfuerzo aplicado. Se presenta tan pronto como se aplica la fuerza, permanece mientras se aplica el esfuerzo y desaparece tan pronto como se retira la fuerza. Deformación plástica Deformación permanente de un material, cuando se quita el esfuerzo, el material no regresa a su forma original. Comportamiento dúctil y frágil Comportamiento en tensión El comportamiento de los materiales bajo carga se puede clasificar como dúctil o frágil según que el material muestre o no capacidad para sufrir deformación plástica. En materiales frágiles los esfuerzos localizados continúan concentrándose cuando no hay deformación plástica. Finalmente una grieta (crack) se forma en uno o más puntos que concentran esfuerzos y rápidamente avanza en el material ocurriendo fractura. (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license. 1. Ensayo de tensión La resistencia de un material depende de su capacidad para soportar una carga sin deformación excesiva o falla. Esta propiedad debe determinarse experimentalmente Mide la resistencia de un material (metales, aleaciones y plásticos) a una fuerza estática o aplicada lentamente, este ensayo es utilizado para determinar la resistencia, ductilidad y elasticidad del metal. El ensayo de tracción se realiza bajo la norma ASTM E-8 o bien la norma chilena NCH 200, entre otras. Su importancia radica en que es válido y aceptado para especificaciones de materiales de ingeniería. ( c ) 2 0 0 3 B r o o k s / C o l e , a d i v i s i o n o f T h o m s o n L e a r n i n g , I n c . T h o m s o n L e a r n i n g ™ i s a t r a d e m a r k u s e d h e r e i n u n d e r l i c e n s e . Se coloca una probeta estándar (0,505 pulg de diámetro y longitud calibrada de 2 pulg) 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. Equipamiento para el ensayo de tensión Esquema de probetas que se utilizan en el ensayo de tracción Esfuerzo y deformación ingenieriles Los resultados de un ensayo se aplican a todos los tamaños y secciones transversales de un material, siempre que la fuerza se convierta en esfuerzo y la distancia entre las marcas de calibración se conviertan en deformación Esfuerzo ingenieril Deformación ingenieril 0 A F = o 0 l l A = c A 0 : área sección transversal original I o : distancia original entre marcas de calibración AI: cambio de longitud después de haber aplicado el esfuerzo En ingeniería la carga o esfuerzo se mide como: Pa metro Newton etro lim mi ramos log ki psi adas lg pu libras 2 2 2 = = 1 145 0377 . MPa psi = 1 0 00689 . psi MPa = Curva esfuerzo deformación para una aleación de aluminio Curvas tensión deformación de algunos metales y aleaciones Propiedades obtenidas en el ensayo de tensión • Esfuerzo de cedencia (esfuerzo de fluencia): esfuerzo que divide los comportamientos elásticos y plásticos del material. El valor crítico del esfuerzo necesario para iniciar la deformación plástica se llama límite elástico del material. En los materiales metálicos es el esfuerzo necesario para iniciar el movimiento de las dislocaciones. • Resistencia a la tensión (resistencia a la tracción): esfuerzo obtenido con la máxima fuerza aplicada Es el esfuerzo máximo, basado en la sección transversal original, que puede resistir un material. Es el esfuerzo en el cual comienza la estricción en los materiales dúctiles Deformación localizada durante el ensayo de tensión de un material dúctil, produciendo una región de cuello • Esfuerzo de ruptura: es el esfuerzo basado en la sección original, que produce la fractura del material La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la fuerza deje de subir. Al adelgazarse la probeta, la fuerza queda aplicada en menor área, provocando la ruptura. Esquema de la secuencia de ruptura de las probetas en un ensayo de tracción • Módulo de elasticidad o módulo de Young (E): es la pendiente de la parte recta del diagrama esfuerzo v/s deformación unitaria ) , ( psi Pa E c o = Ley de Hooke Tiene una estrecha relación con la energía de enlace atómico, por lo tanto es mayor para materiales de punto de fusión alto. Es una medida de la rigidez de un material Resilencia Es la capacidad de un material para absorber energía cuando es deformado elásticamente y devolverla cuando se elimina la carga Módulo de resiliencia: corresponde a la energía de deformación por unidad de volumen, requerida para llevar el material desde una tensión cero hasta el límite elástico. • Tenacidad a la tensión: capacidad de absorber energía en el campo plástico, antes de fracturarse. Se determina como el área bajo la curva esfuerzo- deformación ingenieril. Esta superficie es una indicación del trabajo total, por unidad de volumen que puede realizarse sobre el material sin que se produzca rotura. También se conoce como trabajo de fractura Comparación de las curvas tensión- deformación de dos aceros, con alta tenacidad y baja tenacidad • Ductilidad: mide la cantidad de deformación que puede resistir un material sin romperse. El % de elongación describe la deformación plástica permanente antes de la falla. La reducción porcentual del área describe la cantidad de adelgazamiento que sufre la muestra durante el ensayo 100 x A A A área en reducción % 100 x L L L elongación de % 0 f 0 0 0 f ÷ = ÷ = La fragilidad se define como lo contrario a la ductilidad. Un material poco dúctil es frágil. Un aumento en resistencia trae consigo una disminución en ductilidad y dado que ambas características son deseables en un diseño ingenieril, surge el problema de enfrentar la selección de los materiales que tengan las combinaciones adecuadas de estas propiedades. 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 Ensayos mecánicos Propiedades típicas promedio de algunos materiales usados en ingeniería Ensayos mecánicos Material o M (Mpa) o F (Mpa) E (Gpa) Acero inoxidables 280 – 700 400 – 1000 190 – 210 Acero alta resistencia 340 - 1000 550 – 1200 190 – 210 Bronce comercial 82 – 690 200 – 830 36 – 44 Latón laminado 70 – 550 200 – 620 36 – 41 Aluminio 2014-T6 410 480 28 Cobre 55 - 760 230 - 830 40 – 47 Esfuerzo real y deformación real Curva típica de tracción hasta la fractura, punto F. La resistencia a la tracción está indicada en el punto M. Los insertos circulares representan la geometría de la probeta deformada en varios puntos de la curva. Ensayos mecánicos Esfuerzo real y deformación real | . | \ | = | | . | \ | = = = o = } A A ln I I ln l dI real unitaria n Deformació A F real Esfuerzo 0 0 t A: área real a la que se aplica la fuerza F La expresión ln(A 0 /A) solo se puede usar antes de comenzar la formación de cuello. Comparación entre la curva tensión deformación real y la curva tensión deformación convencional de un acero de bajo carbono (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license. El efecto de la temperatura (a) sobre la curva esfuerzo-deformación (b) sobre las propiedades de tensión de una aleación de aluminio Variables que afectan a la curva de tensión: 2. Ensayo de Compresión Un ensayo de compresión se realiza de forma similar a un ensayo de tracción, excepto que la fuerza es compresiva y la probeta se contrae a lo largo de la dirección de la fuerza. Esfuerzo ingenieril Deformación ingenieril 0 A F = o 0 l l A = c A 0 : área sección transversal original I o : distancia original entre marcas de calibración AI: cambio de longitud después de haber aplicado el esfuerzo Por convención, una fuerza de compresión se considera negativa y, por tanto, produce un esfuerzo negativo. Los ensayos de compresión se utilizan cuando se desea conocer el comportamiento del material bajo grandes deformaciones permanentes (deformación plástica), tal como ocurren en los procesos de conformación, o bien cuando tiene un comportamiento frágil a tracción Las conclusiones sobresalientes de estas pruebas las podemos resumir en la siguiente forma: • Los materiales dúctiles presentan los mismos valores en sus características tanto en tensión como en compresión. • Los materiales frágiles no presentan punto de fluencia en ningún caso y el esfuerzo de ruptura coincide con el esfuerzo máximo. • Los materiales frágiles presentan una resistencia máxima mucho mas elevada en compresión que en tensión. Por ejemplo, en el caso de la fundición gris, esta relación es aproximadamente 4:1. 3. Ensayo de dureza La dureza implica, en general, una resistencia a la deformación permanente. Puede significar: - Resistencia a la penetración (mecánica del ensayo de materiales) - Resistencia y tratamiento térmico (ingeniero de diseño) Según la forma del ensayo: - Dureza al rayado - Dureza a la penetración - Dureza al rebote o dinámica • Ensayo de dureza Rockwell • Ensayo de dureza Brinell • Ensayo de dureza Vickers Dureza Brinell El ensayo consiste en comprimir sobre la superficie del metal, una bola de acero de 10 mm de diámetro 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 kg D : diámetro del penetrador en mm D i : diámetro de la impresión en mm Dureza Brinell: (kg/mm 2 ) Las cargas mas livianas corresponden a materiales no ferrosos y puros, tales como cobre y aluminio; las cargas mas pesadas se utilizaran para el hierro, acero y aleaciones duras. Los índices de dureza se usan principalmente como base de comparación para los materiales, especificaciones de fabricación y tratamiento térmico, control de calidad y correlación con otras propiedades y comportamiento de los materiales. Por ejemplo, la dureza Brinell esta muy estrechamente relacionada con la resistencia a la tensión del acero mediante la relación: Resistencia a la tensión = 500 BHN. Dureza Vickers Se emplea como identador una pirámide de diamante de base cuadrada, las caras opuestas de la pirámide forman un ángulo de 136º (corresponde a la relación óptima de diámetro de huella a diámetro de bola en el ensayo Brinell) Se define como la relación de la carga al área 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 2 2 L P 1,854 L /2) ( sen P 2 Vickers Dureza = = u P: carga aplicada en kg L: media de la longitud de las dos diagonales en mm u: ángulo formado por las caras opuestas de la pirámide diamante = 136º Tipos de huellas obtenidas con pirámide de diamante (a) huella perfecta (b) huella en forma de almohadilla producida por hundimiento, metales recocidos (c) huella producida por rebordeado, metales trabajados en frío. Dureza Rockwell El ensayo utiliza la profundidad de la penetración bajo carga constante, como medida de la dureza. La maquina de ensayo mide en forma automática la profundidad de penetración del indentador, y la convierte en un número de dureza Rockwell (HR) En este ensayo se usa una bola de acero de pequeño diámetro, para materiales blandos y un cono o indentador de diamante, para materiales más duros. Los ensayos de Rockwell dan como resultado un número que no tiene unidades Los números de dureza se usan principalmente como base cualitativa de comparación entre materiales. (a) Durómetro para dureza Rockwell (b) Etapas para la medida de la dureza con un penetrador cónico de diamante. La profundidad t determina la dureza del material 4. Ensayo de impacto Cuando un material se somete a un golpe repentino y violento, donde la velocidad de deformación es extremadamente rápida, se puede comportar en una forma mucho más frágil que la que se observa en el ensayo de tensión. Se utiliza el ensayo de impacto para evaluar la fragilidad de un material. • Ensayo de Charpy: metales, aleaciones, cerámicas • Ensayo de Izod: plásticos El ensayo de impacto (a) ensayo de Charpy e Izod (b) dimensiones de muestras normales Durante el ensayo, un péndulo pesado (45 kg) que inicia su movimiento a una altura h 0 , describe un arco, golpea y rompe la probeta, y llega a una altura final h f menor. Si se conocen las alturas inicial y final del péndulo, se puede calcular la diferencia de la energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto que absorbió la muestra cuando falló • La probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de la fisura. • Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse. Fotografías de probetas, antes y después del ensayo • Ensayo de Charpy: joule (J), lb pie • Ensayo de Izod: J/m, lb pie/pulg 1 lb pie = 1,356 J Los 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 transición de dúctil a frágil: es aquella a la cual un material cambia de un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil. Un material sujeto a cargas de impacto durante las condiciones de servicio deberá tener una temperatura de transición por debajo de la temperatura de operación determinada por el ambiente que rodea al material. Ensayos de impacto para un polímero termoplástico de nylon supertenaz No todos los materiales tienen una temperatura de transición definida La estructura cristalina FCC normalmente absorbe mayor energía, sin mostrar temperatura de transición Influencia del contenido de carbono sobre el comportamiento dúctil-frágil de un acero de baja aleación: Relación con el diagrama esfuerzo-deformación: La energía 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 tensión (es decir, el área contenida dentro del diagrama esfuerzo-deformación real) En general, los metales que tienen alta resistencia y gran ductilidad, tienen buena tenacidad a la tensión, sin embargo, pueden presentar comportamiento frágil cuando están sujetos a velocidades de deformación alta, es decir, pueden mostrar pobre tenacidad al impacto, ya que la velocidad de deformación puede desplazar la transición de dúctil a frágil. Los cerámicos y muchos materiales compuestos tienen normalmente tenacidad muy baja, aunque alta resistencia. Ejemplo: Se obtuvieron los siguientes datos de tensión-deformación de un acero o,2% C Esfuerzo (ksi) Deformación Esfuerzo (ksi) Deformación 0 30 55 60 68 72 74 75 0 0,001 0,002 0,005 0,01 0,02 0,04 0,06 76 75 73 69 65 56 51 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,19 (fractura) a) Dibuje la curva tensión-deformación b) Determine la resistencia de cedencia con el criterio del 0,2% de deformación convencional c) Determine la resistencia a la tracción del acero d) El módulo de elasticidad e) Módulo de resistencia Ejemplos 1. Se aplica una fuerza de 850 lb a un alambre de níquel de 0,15 pulg de diámetro, que tiene una resistencia de cedencia de 45.000 psi y una resistencia a la tensión de 55.000 psi. Determine: a) Si el alambre se deformará plásticamente b) Si el alambre tendrá formación de cuello 2. Una probeta de acero al carbono 1030 de 0,50 pulg. de diámetro se ensaya hasta la fractura . El diámetro de la probeta en la zona de la fractura fue de 0,343 pulg. Calcule el porcentaje de estricción de la muestra. 3. Un cable de acero tiene 1,25 pulg de diámetro y 50 pies de longitud, y con él se levanta una carga de 20 toneladas. ¿Cuál es la longitud del cable durante el izamiento? El módulo de elasticidad del acero es 30 x 10 6 psi. Ejemplos 4. Cuando se aplica una carga de 3.000 kg a una esfera de 10 mm de diámetro en un ensayo Brinell de un acero, se produce una penetración de 3,1 mm de diámetro. Estime la resistencia del acero a la tensión. 5. Se efectúo 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: a) La temperatura de transición (determinada como la media de las energías absorbidas en las regiones dúctil y frágil) b) La temperatura de transición (definida como la temperatura que proporcionan 50 J de energía absorbida) c) Grafique la temperatura de transición en función del contenido de magnesio y analice el efecto de este elemento sobre la tenacidad del acero. ¿Cuál sería el contenido de magnesio mínimo posible en el acero si una pieza fabricada con él debe utilizarse a 0 ºC? Tabla 1: Resultados de ensayo de Charpy De acuerdo a las Leyes de Newton: A toda acción corresponde una reacción, de manera que cuando se aplica una fuerza externa a un cuerpo sólido y este permanece estático, se produce una reacción interna que equilibra la fuerza externa La magnitud de la reacción interna es el esfuerzo y la consecuencia inmediata de la existencia de un esfuerzo es la deformación Efecto de una fuerza sobre un sólido. La magnitud del efecto es directamente proporcional a F e inversamente proporcional a A P A .La fuerza interna de reacción afecta los enlaces que mantienen unidas a las partículas del sólido. produciendo fuerzas entre ellos. La cantidad de enlaces que soporta tal fuerza esta directamente relacionada con el área transversal a la dirección en que actúa la fuerza. La magnitud de la reacción en cada enlace depende de la magnitud de la fuerza aplicada y de la cantidad de partículas que resisten la acción de esa fuerza. o bien. Calcula las deformaciones correspondientes y las relaciones que existen entre la acción de las cargas externas y las fuerzas internas inducidas. En base al análisis. concluye si una pieza es capaz de resistir un sistema de cargas propuesto. Analiza las fuerzas internas inducidas en sus diferentes componentes. toma decisiones acerca de los materiales a usar.La resistencia de materiales: Se ocupa del estudio de los efectos causados por la acción de cargas externas que actúan sobre un sistema deformable. . del tamaño y forma correcta de las piezas que componen un sistema dado. la Metalurgia Mecánica tiene las tareas de evaluar la magnitud de los esfuerzos y las deformaciones producidas y determinar si el metal tiene la suficiente resistencia para soportar esas fuerzas sin deformarse excesivamente o llegar a la fractura .Así. Ensayos mecánicos. Tensión (tension test) Dureza (hardness test) Torsión (torsion test) Fractura (fracture mechanics) Fatiga (fatigue) Creep (Creep and stress rupture) Composición Microestructura Impacto y fractura frágil (brittle fracture and impact testing) . de tal manera que no pueda regresar a su estado original.Conceptos básicos: Se han aceptado ciertos términos. y que se describen a continuación: Ductilidad: Es la habilidad de un material para deformarse antes de fracturarse. cuando cesa la acción que ha producido la deformación. los cuales son usados para describir las propiedades físicas y mecánicas de los materiales. . se dice que ha pasado su límite elástico. al hacerse visible su gran deformación. Elasticidad: Es la habilidad que tiene un material que ha sido deformado de alguna manera para regresar a su estado y tamaño original. Es una característica muy importante en el diseño. Tiene además la ventaja de “avisar” cuando va a ocurrir la fractura. puesto que un material dúctil es usualmente muy resistente a cargas por impacto. Cuando el material se deforma permanentemente. efectuada por un objeto duro. sin romperse. rolado o prensado. se aumenta normalmente cuando el metal esta caliente. Maleabilidad: Es la propiedad que permite que un material se deforme mediante martilleo. Tanto la fragilidad como la ductilidad de un material son mediadas arbitrarias. Dureza: Mide la resistencia a la penetración sobre la superficie de un material. pero puede decirse que un material con un alargamiento mayor de 5% es dúctil y menor de 5% es frágil. . habiendo dentro de ellos diferentes grados.Fragilidad: Es lo opuesto de ductilidad. La maleabilidad. Un material frágil no tiene resistencia a cargas de impacto y se fractura aún en cargas estática sin previo aviso. Se pueden clasificar los materiales en frágiles y dúctiles. El rango de adaptación puede variar considerablemente de acuerdo con el material y sus condiciones. Esfuerzo: Fuerza aplicada a un área conocida. .Plasticidad: Es la habilidad de un material para adoptar nuevas formas bajo la presión y retener esa nueva forma. Deformación unitaria Consideremos a la barra de sección constante que soportan una carga axial P en su extremo. la barra sufrirá una deformación que denominaremos con la letra griega (delta) L (épsilon): deformación unitaria : deformación total (LF – LI ) L : longitud original . Bajo la acción de la carga. cuando se quita el esfuerzo. Deformación plástica Deformación permanente de un material. debido a un esfuerzo aplicado.Ensayos mecánicos Deformación (unitaria) elástica Deformación restaurable. el material no regresa a su forma original. permanece mientras se aplica el esfuerzo y desaparece tan pronto como se retira la fuerza. Se presenta tan pronto como se aplica la fuerza. . Comportamiento dúctil y frágil El comportamiento de los materiales bajo carga se puede clasificar como dúctil o frágil según que el material muestre o no capacidad para sufrir deformación plástica. Comportamiento en tensión . Finalmente una grieta (crack) se forma en uno o más puntos que concentran esfuerzos y rápidamente avanza en el material ocurriendo fractura. .En materiales frágiles los esfuerzos localizados continúan concentrándose cuando no hay deformación plástica. a division of Thomson Learning.(c)2003 Brooks/Cole. . Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license. este ensayo es utilizado para determinar la resistencia. entre otras. Ensayo de tensión La resistencia de un material depende de su capacidad para soportar una carga sin deformación excesiva o falla. Esta propiedad debe determinarse experimentalmente Mide la resistencia de un material (metales. aleaciones y plásticos) a una fuerza estática o aplicada lentamente. El ensayo de tracción se realiza bajo la norma ASTM E-8 o bien la norma chilena NCH 200.1. Su importancia radica en que es válido y aceptado para especificaciones de materiales de ingeniería. ductilidad y elasticidad del metal. . a division of Thomson Learning. una fija y otra móvil.505 pulg de diámetro y longitud calibrada de 2 pulg) en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas. Se coloca una probeta estándar (0.Equipamiento para el ensayo de tensión (c)2003 Brooks/Cole. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license. Inc. . Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. . Esquema de probetas que se utilizan en el ensayo de tracción . Esfuerzo y deformación ingenieriles Los resultados de un ensayo se aplican a todos los tamaños y secciones transversales de un material. siempre que la fuerza se convierta en esfuerzo y la distancia entre las marcas de calibración se conviertan en deformación Esfuerzo ingenieril F A0 l l0 A0: área sección transversal original Io: distancia original entre marcas de calibración I: cambio de longitud después de haber aplicado el esfuerzo Deformación ingenieril . 0377 psi 1psi 0.00689MPa .En ingeniería la carga o esfuerzo se mide como: libras psi 2 pu lg adas ki log ramos mi lim etro2 New ton Pa 2 metro 1MPa 145. Curva esfuerzo deformación para una aleación de aluminio . Curvas tensión deformación de algunos metales y aleaciones . . En los materiales metálicos es el esfuerzo necesario para iniciar el movimiento de las dislocaciones. El valor crítico del esfuerzo necesario para iniciar la deformación plástica se llama límite elástico del material.Propiedades obtenidas en el ensayo de tensión • Esfuerzo de cedencia (esfuerzo de fluencia): esfuerzo que divide los comportamientos elásticos y plásticos del material. produciendo una región de cuello . basado en la sección transversal original.• Resistencia a la tensión (resistencia a la tracción): esfuerzo obtenido con la máxima fuerza aplicada Es el esfuerzo máximo. Es el esfuerzo en el cual comienza la estricción en los materiales dúctiles Deformación localizada durante el ensayo de tensión de un material dúctil. que puede resistir un material. la fuerza queda aplicada en menor área. que produce la fractura del material La deformación se concentra en la zona del cuello. provocando que la fuerza deje de subir. provocando la ruptura. Esquema de la secuencia de ruptura de las probetas en un ensayo de tracción . Al adelgazarse la probeta.• Esfuerzo de ruptura: es el esfuerzo basado en la sección original. Es una medida de la rigidez de un material . por lo tanto es mayor para materiales de punto de fusión alto.• Módulo de elasticidad o módulo de Young (E): es la pendiente de la parte recta del diagrama esfuerzo v/s deformación unitaria E ( Pa . psi ) Ley de Hooke Tiene una estrecha relación con la energía de enlace atómico. . requerida para llevar el material desde una tensión cero hasta el límite elástico. . Resilencia Es la capacidad de un material para absorber energía cuando es deformado elásticamente y devolverla cuando se elimina la carga Módulo de resiliencia: corresponde a la energía de deformación por unidad de volumen. . También se conoce como trabajo de fractura Comparación de las curvas tensióndeformación de dos aceros. Se determina como el área bajo la curva esfuerzo. Esta superficie es una indicación del trabajo total.deformación ingenieril. por unidad de volumen que puede realizarse sobre el material sin que se produzca rotura.• Tenacidad a la tensión: capacidad de absorber energía en el campo plástico. antes de fracturarse. con alta tenacidad y baja tenacidad . El % de elongación describe la deformación plástica permanente antes de la falla. La reducción porcentual del área describe la cantidad de adelgazamiento que sufre la muestra durante el ensayo % de elongación L f L0 x100 L0 A0 Af x100 A0 % reducción en área .• Ductilidad: mide la cantidad de deformación que puede resistir un material sin romperse. Un material poco dúctil es frágil. Un aumento en resistencia trae consigo una disminución en ductilidad y dado que ambas características son deseables en un diseño ingenieril. .La fragilidad se define como lo contrario a la ductilidad. surge el problema de enfrentar la selección de los materiales que tengan las combinaciones adecuadas de estas propiedades. Ensayos mecánicos 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 . 760 550 – 1200 200 – 830 200 – 620 480 230 .830 190 – 210 36 – 44 36 – 41 28 40 – 47 .1000 82 – 690 70 – 550 410 55 .Ensayos mecánicos Propiedades típicas promedio de algunos materiales usados en ingeniería Material Acero inoxidables M (Mpa) 280 – 700 F (Mpa) 400 – 1000 E (Gpa) 190 – 210 Acero alta resistencia Bronce comercial Latón laminado Aluminio 2014-T6 Cobre 340 . Ensayos mecánicos Esfuerzo real y deformación real Curva típica de tracción hasta la fractura. punto F. . Los insertos circulares representan la geometría de la probeta deformada en varios puntos de la curva. La resistencia a la tracción está indicada en el punto M. .Esfuerzo real y deformación real Esfuerzo real t F A I dI A ln ln 0 I l A 0 Deformació n unitaria real A: área real a la que se aplica la fuerza F La expresión ln(A0/A) solo se puede usar antes de comenzar la formación de cuello. Comparación entre la curva tensión deformación real y la curva tensión deformación convencional de un acero de bajo carbono . Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license. a division of Thomson Learning. .Variables que afectan a la curva de tensión: El efecto de la temperatura (a) sobre la curva esfuerzo-deformación (b) sobre las propiedades de tensión de una aleación de aluminio (c)2003 Brooks/Cole. Inc. Esfuerzo ingenieril F A0 l l0 A0: área sección transversal original Io: distancia original entre marcas de calibración Deformación ingenieril I: cambio de longitud después de haber aplicado el esfuerzo Por convención. una fuerza de compresión se considera negativa y. por tanto. Ensayo de Compresión Un ensayo de compresión se realiza de forma similar a un ensayo de tracción. . produce un esfuerzo negativo.2. excepto que la fuerza es compresiva y la probeta se contrae a lo largo de la dirección de la fuerza. . . • Los materiales frágiles presentan una resistencia máxima mucho mas elevada en compresión que en tensión. esta relación es aproximadamente 4:1. en el caso de la fundición gris. valores en sus • Los materiales frágiles no presentan punto de fluencia en ningún caso y el esfuerzo de ruptura coincide con el esfuerzo máximo. Por ejemplo. tal como ocurren en los procesos de conformación.Los ensayos de compresión se utilizan cuando se desea conocer el comportamiento del material bajo grandes deformaciones permanentes (deformación plástica). . o bien cuando tiene un comportamiento frágil a tracción Las conclusiones sobresalientes de estas pruebas las podemos resumir en la siguiente forma: • Los materiales dúctiles presentan los mismos características tanto en tensión como en compresión. Puede significar: - Resistencia a la penetración (mecánica del ensayo de materiales) Resistencia y tratamiento térmico (ingeniero de diseño) Según la forma del ensayo: - Dureza al rayado Dureza a la penetración Dureza al rebote o dinámica .3. en general. Ensayo de dureza La dureza implica. una resistencia a la deformación permanente. • Ensayo de dureza Rockwell • Ensayo de dureza Brinell • Ensayo de dureza Vickers . una bola de acero de 10 mm de diámetro con una carga de 3000 kg. se reduce la carga a 500 kg.Dureza Brinell El ensayo consiste en comprimir sobre la superficie del metal. Dureza Brinell: (kg/mm2) F : carga aplicada en kg D : diámetro del penetrador en mm Di : diámetro de la impresión en mm . . -En metales muy duros se emplea una bola de carburo de wolframio La carga se aplica por un periodo de tiempo normalizado. luego se mide la huella con un microscopio.En los materiales blandos. generalmente de 30 seg. tales como cobre y aluminio. Los índices de dureza se usan principalmente como base de comparación para los materiales. acero y aleaciones duras. Por ejemplo.Las cargas mas livianas corresponden a materiales no ferrosos y puros. la dureza Brinell esta muy estrechamente relacionada con la resistencia a la tensión del acero mediante la relación: Resistencia a la tensión = 500 BHN. control de calidad y correlación con otras propiedades y comportamiento de los materiales. especificaciones de fabricación y tratamiento térmico. . las cargas mas pesadas se utilizaran para el hierro. las caras opuestas de la pirámide forman un ángulo de 136º (corresponde a la relación óptima de diámetro de huella a diámetro de bola en el ensayo Brinell) Se define como la relación de la carga al área de la superficie de la huella.Dureza Vickers Se emplea como identador una pirámide de diamante de base cuadrada. Se emplea Vickers para laminas tan delgadas como 0.854 P L2 L2 L: media de la longitud de las dos diagonales en mm : ángulo formado por las caras opuestas de la pirámide diamante = 136º . Sus cargas van de 5 a 125 kilogramos (de cinco en cinco).006 pulgadas Dureza Vickers P: carga aplicada en kg 2 P sen ( /2) 1. metales recocidos (c) huella producida por rebordeado. . metales trabajados en frío.Tipos de huellas obtenidas con pirámide de diamante (a) huella perfecta (b) huella en forma de almohadilla producida por hundimiento. . . Dureza Rockwell El ensayo utiliza la profundidad de la penetración bajo carga constante. . Los ensayos de Rockwell dan como resultado un número que no tiene unidades Los números de dureza se usan principalmente como base cualitativa de comparación entre materiales. para materiales más duros. La maquina de ensayo mide en forma automática la profundidad de penetración del indentador. para materiales blandos y un cono o indentador de diamante. como medida de la dureza. y la convierte en un número de dureza Rockwell (HR) En este ensayo se usa una bola de acero de pequeño diámetro. (a) Durómetro para dureza Rockwell (b) Etapas para la medida de la dureza con un penetrador cónico de diamante. La profundidad t determina la dureza del material . . . . Se utiliza el ensayo de impacto para evaluar la fragilidad de un material. aleaciones. cerámicas • Ensayo de Izod: plásticos . se puede comportar en una forma mucho más frágil que la que se observa en el ensayo de tensión.4. • Ensayo de Charpy: metales. donde la velocidad de deformación es extremadamente rápida. Ensayo de impacto Cuando un material se somete a un golpe repentino y violento. El ensayo de impacto (a) ensayo de Charpy e Izod (b) dimensiones de muestras normales Durante el ensayo, un péndulo 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 péndulo, se puede calcular la diferencia de la energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto que absorbió la muestra cuando falló • La probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de la fisura. • Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse. Fotografías de probetas, antes y después del ensayo lb pie/pulg 1 lb pie = 1. lb pie • Ensayo de Izod: J/m.356 J Los 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 .• Ensayo de Charpy: joule (J). Ensayos de impacto para un polímero termoplástico de nylon supertenaz .Propiedades que se obtienen en el ensayo de impacto: Temperatura de transición de dúctil a frágil: es aquella a la cual un material cambia de un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil. Un material sujeto a cargas de impacto durante las condiciones de servicio deberá tener una temperatura de transición por debajo de la temperatura de operación determinada por el ambiente que rodea al material. No todos los materiales tienen una temperatura de transición definida La estructura cristalina FCC normalmente absorbe mayor energía. sin mostrar temperatura de transición . Influencia del contenido de carbono sobre el comportamiento dúctil-frágil de un acero de baja aleación: . pueden mostrar pobre tenacidad al impacto. Los cerámicos y muchos materiales compuestos tienen normalmente tenacidad muy baja. no siempre se relaciona con la tenacidad a la tensión (es decir. . sin embargo. es decir. pueden presentar comportamiento frágil cuando están sujetos a velocidades de deformación alta. el área contenida dentro del diagrama esfuerzo-deformación real) En general. tienen buena tenacidad a la tensión.Relación con el diagrama esfuerzo-deformación: La energía necesaria para romper un material durante un ensayo de impacto. es decir. ya que la velocidad de deformación puede desplazar la transición de dúctil a frágil. los metales que tienen alta resistencia y gran ductilidad. la tenacidad al impacto. aunque alta resistencia. 2% de deformación convencional c) Determine la resistencia a la tracción del acero d) El módulo de elasticidad e) Módulo de resistencia .10 0.06 76 75 73 69 65 56 51 0.04 0.2% C Esfuerzo (ksi) Deformación Esfuerzo (ksi) Deformación 0 30 55 60 68 72 74 75 0 0.19 (fractura) a) Dibuje la curva tensión-deformación b) Determine la resistencia de cedencia con el criterio del 0.005 0.002 0.Ejemplo: Se obtuvieron los siguientes datos de tensión-deformación de un acero o.12 0.14 0.001 0.16 0.01 0.18 0.08 0.02 0. . El diámetro de la probeta en la zona de la fractura fue de 0.25 pulg de diámetro y 50 pies de longitud. Calcule el porcentaje de estricción de la muestra. Una probeta de acero al carbono 1030 de 0. ¿Cuál es la longitud del cable durante el izamiento? El módulo de elasticidad del acero es 30 x 106 psi. Se aplica una fuerza de 850 lb a un alambre de níquel de 0. de diámetro se ensaya hasta la fractura . Un cable de acero tiene 1. y con él se levanta una carga de 20 toneladas. que tiene una resistencia de cedencia de 45. 3. Determine: a) Si el alambre se deformará plásticamente b) Si el alambre tendrá formación de cuello 2.15 pulg de diámetro.Ejemplos 1.343 pulg.000 psi y una resistencia a la tensión de 55.000 psi.50 pulg. 1 mm de diámetro. Grafique los datos y determine: a) La temperatura de transición (determinada como la media de las energías absorbidas en las regiones dúctil y frágil) b) La temperatura de transición (definida como la temperatura que proporcionan 50 J de energía absorbida) c) Grafique la temperatura de transición en función del contenido de magnesio y analice el efecto de este elemento sobre la tenacidad del acero. se produce una penetración de 3.Ejemplos 4. Estime la resistencia del acero a la tensión. 5.000 kg a una esfera de 10 mm de diámetro en un ensayo Brinell de un acero. Se efectúo una serie de ensayos de impacto Charpy sobre cuatro aceros. con distinto contenido de magnesio. cuyos resultados se muestran en tabla 1. ¿Cuál sería el contenido de magnesio mínimo posible en el acero si una pieza fabricada con él debe utilizarse a 0 ºC? . Cuando se aplica una carga de 3. Tabla 1: Resultados de ensayo de Charpy .