16-PRUEBAS MECÁNICAS

16-PRUEBAS MECÁNICAS
PRUEBAS MECÁNICAS
Julio Alberto Aguilar Schafer
Ensayos No Destructivos
Son una serie de ensayos cuya finalidad es conocer/evaluar el
estado de los materiales (soldaduras, estructuras (puentes,
edificios, etc…), medios de transporte (barcos, aviones, etc…)
sin afectar las propiedades y funcionalidad de los materiales
examinados.
Todas las soldaduras/uniones presentan fallos, grietas, defectos,
discontinuidades, … ↔ localizar y determinar el tamaño ↔ muchas
discontinuidades ⇒ “defectos” que comprometen la resistencia de la
unión/soldadura/material
Ensayos más comunes
• Inspección Visual
• Líquidos Penetrantes
• Pruebas Ultrasónicas-Emisiones Acústicas
• Partículas Magnéticas
• Radiografías
• Corrientes de Eddy
• Termografía
Inspección Visual
• Es el método más común de inspección
• Permite observar salpicaduras, existencia de cenizas, distorsiones
por excesivo calentamiento, grietas,
• Es adecuada para todos los materiales.
• Mediante: Calibres especiales, gafas de aumento, linternas, etc…
Líquidos Penetrantes
•Analiza la superficie de una pieza
•La superficie es recubierto por una solución coloreada o
fluorescente.
•El exceso de solución se elimina de la superficie, y se aplica un
revelador. Este actúa como un secante, destacando fácilmente las
imperfecciones superficiales, ya sea por la aparición de vivos
colores como después de aplicar luz UV.
•Es válido para todo tipo de materiales (metales, cerámicos, vidrios,
polímeros, composites, …
Ensayo de sondas acústicas
• Basada en la transmisión de longitudes sonoras de alta
frecuencia en el interior del material para detectar
imperfecciones.
• Se estudian las ondas emitidas y el desplazamiento en
el tiempo para detectar las reflejadas, y posibles
alteraciones indican imperfecciones (las ondas
ultrasónicas no viajan a través del aire).
• Todo tipo de materiales.
Máquina de medida del espesor y
discontinuidades
Partículas Magnéticas No Destructivos
• Este método se lleva a cabo induciendo un campo
magnético a un material ferromagnético, y entonces
espolvoreando en la superficie partículas de Fe. (ya sea
seco o en una suspensión). Las imperfecciones
superficiales modifican el campo y las partículas de
hierro se concentran en los defectos.
• Sólo materiales ferromagnéticos.
• Defectos superficiales perpendiculares a las líneas de
campo.
Partículas Magnéticas
Equipos portátiles
Corrientes de Eddy
• Corrientes eléctricas son generadas en un material
conductor por un campo magnético alterno.
Interrupciones en las líneas de corriente eléctrica
(Corrientes de Eddy) debidas a la existencia de
imperfecciones producirán cambios en el campo
magnético inducida.
• Útil para:
 Materiales conductores.
 Detecta defectos internos
Inspección mediante radiación Rayos-X
• Son radiografías
• Implica la utilización de radiación gamma o rayos-X (para
examinar los defectos internos.
• Se requieren máquinas con fuentes de radiación que
atraviesan el material y producen una “imagen negativa” en
una película o film. La radiografía muestra la solidez interna
de los materiales examinados. Las posibles imperfecciones se
muestran como cambios en la densidad en la película de la
misma manera que se aprecian los “huesos rotos”.
Ensayos mecánicos
Prueba de chispa.
Metal
Color de la chispa
Tamaño aprox. del flujo
Muchas chispas de color rojo.
1.80 cm , raíz corta con bifurcaciones,
mientras mas alto es el contenido de
carbón, mas numerosas son.
Acero
al carbono
Amarillas.
Líneas rectas sencillas, sin
ramificaciones.
Acero rápido
Intermitentes a rojo a rojo obscuro.
Pequeñas lineales, ramificaciones cerca
de las puntas
Acero
inoxidable
Color paja cerca de la rueda,
blanco lejos de la rueda.
1.30 cm, chispa moderada.
Hierro
colado blanco
Muy poca cantidad de rojo en la rueda,
convirtiéndose en un color paja.
45 cm.
Hierro
colado gris
Rojas convirtiéndose en color paja.
60 cm, el volumen es pequeño con
muchas espigas.
Hierro
maleable
Amarillo paja.
75 cm, terminando con espigas
Carburo
de tungsteno
Carburo de tungsteno
25 cm. Flujo pequeño.
Acero
Prueba de peso o densidad.
Metal o aleación
Densidad a 18° C (gr/cm3)
Acero
7.86
Acero Inoxidable
7.83
Aluminio
2.69
Carburos sintetizados
15.25
Cobre
8.97
Estaño
7.98
Hierro colado
7.87
Latón
Manganeso
8.58
1.74
Monel
8.83
Níquel
8.91
Plomo
11.35
Titanio
Zinc
4.40
7.14
Esta prueba puede distinguir los metales, por ejemplo: piezas moldeadas de Zinc y las piezas moldeadas de
aluminio se asemejan mucho, sin embargo el peso lo distingue uno de otro :
PRUEBAS MECÁNICAS
• Una de las forma que se usan para poder
determinar las característica mecánica de un
material es someterlo a las pruebas de
esfuerzos a la tensión.
objetivos
• Conocerla importancia de la evaluación de las
propiedades mecánicas
• Explicar y entender que es tensión-deformación
– Deformación elástica y plástica
– Coeficiente de Poisson
– Tensión de cizalladura
• Describir el ensayo de tracción
– Curva de tensión-deformación nominal o ingenieríl
– Curva de tensión-deformación real
• Describir el ensayo de compresión
• Conocer el ensayo a flexión
• Explicar el ensayo de cizalladura
• Explicar el ensayo de dureza
Ensayo de tracción uniaxial
Los materiales, bajo esfuerzos de tracción o compresión, se deforman
primero elásticamente (deformación recuperable) y luego plásticamente
(deformación permanente)
Probeta sometida a una fuerza de tensión uniaxial a velocidad constante
Diagrama de tensión-deformación
Resultado
del ensayo
Ensayo más utilizado: NORMALIZADO
Evolución de las probetas
rectangulares durante el
ensayo de tracción
(la zona central es la que
soporta mayor
deformación,
y por esa zona romperá)
Maquina de Tracción
Ejemplo de prueba de esfuerzo a la tensión
RUPTURA
Geometría de las probetas: Normalizadas
Rectangulares
Cilíndricas
Geometría de las probetas:
Laboratorio de Ciencia de los Materiales
Curva tensión-deformación
TENSIÓN NOMINAL (σn)
Deformación ELÁST
Linealidad
Deformación No permanente
Zona Elástica
Zona Plástica
Deformación PLÁSTICA
DEFORMACIÓN NOMINAL (εn)
Al cesar la tensión sobre una probeta, la probeta experimenta una cambio
permanente respecto a sus dimensiones originales.
Los átomos son desplazados permanentemente de sus posiciones originales
y toman nuevas posiciones .
La posibilidad de deformación plástica del acero
posibilita que partes del automóvil (parachoques, tas y puertas)
se puedan troquelar mecánicamente sin romperse el metal
TENSIÓN NOMINAL (σn)
Parámetros:⇒ Curva tensión-deformación
DEFORMACIÓN NOMINAL (εn)
-Módulo de Young o Módulo de Elasticidad( E)
-Límite elástico (σy) a un 0.2%
-Resistencia máxima a la tracción
-Tensión de fractura
-Deformación plástica o ductilidad
-Resiliencia o Energía absorbida
Curva tensión-deformación
Tensión/esfuerzo nominal (σn):
F
σ n=
A0
Unidades del S.I.:
N/m2= Pa
1 N/mm2 = 1 MPa
Sistema anglosajón: psi = lb/pul2
1 psi= 6,89 103 Pa
Deformación nominal (ε):
1638: Galileo Galilei
La carga de fractura de una barra
en tensión es proporcional a A0 e
independiente de lo
ε = Δl/l
S.I.: m/m (adimensional)
%ε = (Δl/L0)×100
TENSIÓN NOMINAL (σn)
Curva tensión-deformación
DEFORMACIÓN NOMINAL (εn)
Zona Elástica
Deformación elástica σ<σy
E: Módulo de Elasticidad ó de Young:
I) Zona Lineal
rigidez material o resistencia a la
σ=Eε
Ley de Hooke deformación elástica (no permanente)
Al retirar carga/tensión ⇒ pieza recupera forma original (No ∃ deformación
permanente)
Deformación elástica: escala atómica
E= f (fuerza de enlace)⇒ si ↑ Fuerza de enlace
entre átomos ⇒ ↑E
Mecanismo asociado a la def.
Elástica= Relajación enlaces.
En general:
Ecerámicos (cov. y/o ionic)>Emetales (met) >Epolímeros (secund entre cadenas)
Módulo de elasticidad
Curva Tensión-deformación: E: F(temperatura)
Al aumentar la Temp ⇒
debilitamiento de los enlaces
(↓rigidez estructura)
⇓
↓ ↓ del Mod. Young
Deformación elástica σ<σy
2) No lineal: Se produce en alguno materiales (algunos polímeros,
hormigón, fundición gris, etc…)
σ2
Δσ
Δε
Módulo Tangente
en σ2
σ1
Módulo Secante
entre origen y σ1
Δσ
Δε
Deformación
Parámetros: curva tensión-deformación
Límite elástico (σy) : σ a partir de la cual se produce deformación
permanente
ε deja de ser proporcional a σ
Ruptura y formación de nuevos enlaces
No recupera la forma inicial
Curva tensión-deformación: Limite elástico (I)
Límite elástico (σy) : σ a partir de la cual se produce deformación
permanente
para F≠0 ⇒ ε (perma nente) = ε [elast+plást]
para F=0 ε (perma nente) = ε [plást])
Criterios de Cálculo del Límite Elástico (I)
Dependiendo de la deformación del
material se adoptan ≠ criterios:
El + admitido en metálicos ≈ 0,2% de
la ε elástica
Límite Elástico Convencional
Curva tensión-deformación: Limite elástico (I)
Criterios de Cálculo del Límite Elástico (II)
Fenómeno de discontinuidad en el punto de
fluencia: (Ej: aceros, algunos polímeros, etc...
σY =
σmax +σmin
2
Curva tensión-deformación: Zona plástica
Resistencia a la tracción: máxima tensión
nominal que soporta la probeta a tracción
TENSIÓN NOMINAL (σn)
Resistencia de rotura:
tensión que soporta el
material en el pto. de rotura.
DEFORMACIÓN NOMINAL (εn)
Curva tensión-deformación: Ductilidad
Medida del grado de deformación plástica que puede ser
soportada por un material antes de la rotura
1. Deformación porcentual total:
aumento porcentual de la deformación
que experimenta
la probeta
l
ε (%)
l f - l0
l0
x 100
2. % Reducción área (estricción):
x 100
Frágil
Tensión
A0 - Af
AR(%) =
A0
Dúctil
3. Área bajo la curva
Deformación
Materiales que son frágiles
presenten poca deformación
plástica
(Ej: cerámicas y vidrios)
Tensión (MPa)
Ductilidad -Temperatura
Deformación
Mayor temperatura: ⇒ mayor ductilidad
Curva tensión-deformación: Resiliencia
Resiliencia.- Capacidad de un material de absorber Eelástica cuando es
deformado hasta alcanzar el limite elástico
Área bajo la curva
Modulo de resiliencia, Ur.- Edeformación
deformar un material hasta límite elástico.
por unidad de V necesaria para
εy
Ur = ∫ σ dε
0
Integrando, si la región elástica es lineal
Ur =
εy =
1
2
σyεy
σy
Materiales con ⇑ Resiliencia: ↑ σy ↓E
APLICACIÓN: diferentes aleaciones para
fabricar muelles
E
(Ley de Hooke)
Ur
=
1
2
σy
E
2
Curvas tensión-deformación verdaderas (II)
Tensión real o verdadera (σr):
Como ΔV = 0 ⇒ se cumple que V= Ao × Lo = cte =Aintantáneo ×Linstantáneo
σr = σn σn
L
L0
=
σ ((| +εn)
Para εpequeñas: εr = ln (1 + εn) ≈ εn
σr = σn (1 + εn) ≈ σn
(hasta comienzo estricción)
Coeficiente de Poisson, υ
Relación entre las deformaciones laterales y axiales
Toda deformación elástica longitudinal ⇒ Δdimensional Lateral
x
y
εy
lateral
ε
ε
υ=
=
=
ε
ε longitudinal
εz
z
X
Z
Materiales reales: υ=0.2-0.4
Caucho natural
υ
0,39-0,49
Polímeros
0,3-0,45
Metales
0,25-0,4
Conocer Comportamiento elástico: υ y E
Ensayo de Cizalladura
A. Tensión de cizalladura (τ, en Pa):
a
h
τ = APss
Ps = carga aplicada
As = área de la muestra paralela a la
dirección de aplicación de la carga
Deformación de cizalladura (γ):
θ
a
γ = = tg θ
h
a: desplazamiento por cizalla
h: distancia sobre la que actúa la cizalla
Cizalla puramente elástica: τ = G γ
G = Mód. De cizalladura o de rigidez o de Coulomb (→ da idea de la rigidez)
Existe una relación ente módulos:
E = 2 G (1 + υ)
υ: modulo de Poisson
Ensayo de Compresión
Menos habitual que tracción
Se emplea:
-Para conocer comportamiento de material bajo def.
permanentes grandes
- Cuando material presenta comportamiento frágil a
tracción. (⇒ Ej: cerámicos y vidrios: No deformación
plástica)
Forma de realización:
Similar a tracción (ahora F es compresiva) ⇒
Fcompresión = - Ftracción
Carga de compresión ⇒ contracción y deformación lineal
negativa
Carga de tracción ⇒ alargamiento y deformación lineal
positiva
Maquina de ensayo-Probeta de compresión
Tensión, σ (Mpa)
resistentes a compresión
Débiles a tracción
Deformación, ε
Ensayo de flexión
Evalúa el comportamiento esfuerzo-deformación y la resistencia a la flexión
de materiales frágiles: ⇒ Resistencia a flexión es equivalente al módulo de
rotura de los cerámicos
Adecuado: cerámicos, vidrios y polímeros
Esquema del ensayo de flexión
en tres puntos
Ensayo de Dureza (I)
Resistencia superficial que presenta un material a la deformación
plástica localizada.
Dureza ⇔ relacionada con resistencia a la tracción y límite elástico
Se determina forzando con un penetrador sobre su superficie
“Medición de huella realizada con un penetrador”
Bola, pirámide o
Clasificación = f (carga y penetrador)
cono (material
A.- Ensayo Brinell (HBW)
muy duro)
B.- Ensayo Rockwell (HR)
C.- Ensayo Vickers (HV)
D.- Ensayo de dureza superficial: Vickers y
Rockwell
E.- Ensayo de microdureza: Vickers
SHACKELFORD, J.F.: "Int. a la Ciencia
de Materiales para ingenieros", Prentice
Hall, 4ª Edición, Madrid, 1998
Resistencia a la abrasión
1. Escala de Mohs (1882) Material Escala
Aplicación en geología o mineralogía
Cada material es rayado por los de escala superior
Material
Talco
Yeso
Caliza
Fluorita
Apatita
Feldespato
Cuarzo
Topacio
Safiro (corindón)
Diamante
2.- Nuevos Durómetros especialmente
diseñados para la determinación
exacta/precisa de la dureza
Escala
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Dureza en polímeros
A.- Dureza Brinell (HBW)
H=
P
=
P
2 2
π D (D − D − Di
2
P= Peso aplicado en kg
S= Superficie del casquete esférico en mm2
D= Diámetro de la bola en mm (de carburo de W)
Di= Diámetro del casquete esférico.
S
Factor de carga Q = P/D2= cte
Bola de acero duro/carburo de W (φ=10 mm)
Se oprime contra la superficie del metal y se
P = carga de ensayo; D= Ø de bola
mide el diámetro de la impresión,
Para espesores pequeños (chapones) ⇒
generalmente de 2 a 6 mm)
D ↓ (5, 2.5, 1.25 y 0.625 mm)
Diámetro
Factor de carga Q
Bola D
30
10
5 2,5
mm
Cargas en kg
10
3000 1000 500 250
5
750
250 125 62,5
2,5
187,5 62,5 322 15,6
125
46.9 15,6 7,81 3,91
0,625
11,7 3,91 1,953 0,977
Dureza Rockwell (HR)
Medida
La dureza es función de la profundidad
de penetración.
- Precarga: 10 Kg
- Carga: 65 - 150 Kg
- Penetradores:
1) bolas de acero templado
(⇒Materiales blandos)
2) cono de diamante tallado con
angulo de 120º (⇒ Materiales duros)
Se aplican 2 cargas sucesivas a
un penetrador y se mide la
profundidad de
La huella, h.
Diferentes escalas en
función de carga y
penetrador.
Ventajas
Rapidez
Ensayo para todo tipo de materiales.
Gran precisión (± 0.002mm ⇔ ± 1unidad)
Pueden usarlo personas no cualificadas.
Polímeros
Microdureza Vickers (HV)
Penetrador: diamante tallado en forma de
pirámide cuadrangular con 136º entre caras
El valor de la dureza es función de la
diagonal de la huella =f (área de la
pirámide)
HV30 ó HV15 ó HV10.....(HVkgf)
F= Fuerza en kgf [1- 120]kg
d = Media aritmética entre las diagonales
d1 y d2 en mm.
Tiempo= 10-15 s
Medida: 345 HV30-25 (≈HVkgf-s)
Dureza Vickers (HV)
Ventajas Dureza Vickers
Resultado Universal, el valor es indpte de la carga
Con un único penetrador se mide una amplia gama de materiales
Posibilidad de medir piezas delgadas (≥ 0.05mm de espesor)
Se puede medir dureza superficial
Más precisa que la escala Rockwell (1u. RocKwel = 32,5u. Vickers)
Dureza Vickers (HV)
Precauciones para ensayo de dureza (en general)
Superficie lisa y ⊥ al eje de aplicación de carga
Superficie pulida y limpia de óxidos, carburos, grasa,...
Distancia al borde de pieza > 4 φ (Brinell o Rockwell)
Espesor de la probeta > 2 φ (Brinell o Rockwell)
> 1.5 veces la diagonal de huella (Vickers)
Escalas de dureza
Fluencia y Curvas de Fluencia