ensayos destructivos
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ÍNDICE GENERAL
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………….6
1.1 Tema Nº1 (Ensayos de tracción y compresión)
1.2 Tracción……………………………………………………………………8
1.3 Esfuerzos y deformaciones ingenieriles…………………………….….9
1.4 Ensayo de tracción…………………………………………………….....9
1.5 Ejecución de los ensayos de tracción………………………………...10
1.6 Dimensionamiento de la probeta………………………………………13
1.7 Ensayo de tracción en el campo elástico………………………….…15
1.8 Curva Esfuerzo-Deformación………………………………………….17
1.9 Diagrama Esfuerzo-Deformación……………………………………..18
1.10 Ensayos de tracción en el campo plástico……………………………19
1.11 Límite de elasticidad…………………………………………………….20
1.12 Alargamiento…………………………………………………………….21
1.13 La estricción……………………………………………………………..22
1.14 Resistencia a la rotura………………………………………………….23
1.15 Resistencia a la rotura a diferentes temperaturas…………………..24
1.16 Propiedades…………………………………………………………….25
Esfuerzos de cedencia…………………………………………25
Esfuerzos a tensión…………………………………………….25
Modulo elástico…………………………………………………25
Ductibilidad del material……………………………………….25
1.17 Ensayos de compresión………………………………………………..26
1.18 Ensayos de Compresión entre bloques………………………………27
1.19 Procedimiento del ensayo de compresión entre bloques…………..30
1.20 Ensayos de Watts y Ford………………………………………………31
3
1.21 Probetas para ensayos de compresión……………………………….31
1.22 Pautas para realizar un Ensayo de Compresión………………........32
2. Tema Nº2
2.1 Ensayos de deformación……………………………………………….33
2.2 Ley de Hooke……………………………………………………………35
2.3 Ensayos de Tensión-Deformación…………………………………36
Inicio del Ensayo…………………………………………………...39
Tratamiento de datos……………………………………………...40
2.4 Ensayos de dureza (Deformación superficial)….…………….….42
Principio fundamental de la dureza………………………………….42
Tipos de dureza……………………………………………….............43
a) Dureza al Rayado………………………………….......43
-Dureza a la lima…………………………………………….43
-Dureza MOHS………………………………………………44
-Dureza de MARTERS……………………………………...45
-Dureza de TURNER………………………………………..45
b) Dureza a la penetración………………………………45
-Método Brinell……………………………………………….46
-Método Rockwell……………………………………………49
-Método Vickers……………………………………………..51
-Método Shore……………………………………………….52
2.5 Deformaciones Elásticas y plásticas………………………………55
Deformación con elasticidad lineal…………………………...56
Deformación con elasticidad no lineal………………………..56
Deformación permanente……………………………………...57
Energía de deformación……………………………………….58
Galgas extensiométricas………………………………………58
Galgas metálicas……………………………………………….59
4
Galgas semiconductoras……………………………………....60
2.6 Limitaciones……………………………………………………………...60
2.7 Ventajas………………………………………………………………….61
3 Tema Nº3
3.1 Ensayos de Torsión……………………………………………………..62
3.2 Ensayo de materiales…………………………………………………..63
3.3 Ensayos no destructivos………………………………………………..63
3.4 Ensayos destructivos…………………………………………………..64
3.5 Objetivos…………………………………………………………………65
3.6 Resumen…………………………………………………………………65
3.7 Probetas para ensayos de torsión…………………………………….69
3.8 Equipo y material………………………………………………………..70
3.9 Torsiómetro………………………………………………………………72
3.10 Balanzas de torsión……………………………………………………..73
3.11 Procedimientos para realizar el ensayo………………………………74
3.12 Teoría ingenieril de torsión de ejes y tubos de paredes
delgadas………………………………………………………………………77
Torsión de un eje de sección circular………………….…….77
Tubos de paredes delgadas………………………….……….78
Tensiones de torsión para grandes deformaciones………...78
3.13 Ensayo de tracción vs. Ensayo de torsión……………………........78
4 Tema Nº4
4.1 Ensayos de flexión…………………………………………………….81
4.2 Comportamiento de los materiales sometidos a la flexión………..84
4.3 Falla por flexión………………………………………………………..84
4.4 Aparatos para ensayos de flexión…………………………………...86
4.5 Condiciones de ensayo......………...……………………………..….87
4.6 Ensayo de flexión las probetas en estudio.………………………..88
5
4.7 Práctica de un ensayo realizado…………………………………….91
4.8 Objetivos del ensayo………………………………………………….91
4.9 Ensayo para determinar la curva carga-desplazamiento…………91
4.10 Ensayos para determinar la Curva-Desplazamiento……….……….92
5 GLOSARIO………………………………………………………………99
6 CONCLUSIÓN…………………………………………………………102
7 BIBLIOGRAFÍA………………………………………….…………….104
6
INTRODUCCIÓN
En todo el mundo en el campo de la ingeniería y algunas
profesiones similares a ésta, se estudia el comportamiento mecánico de
todos los materiales, esto para obtener los conocimientos necesarios
para su aplicación y su utilización en pro del beneficio social. Estos
comportamientos mecánicos se estudian y/o analizan a través de
ensayos por los cuales se pueden determinar muchas características del
material; todos estos ensayos solo pueden realizarse con normas ya
establecidas por algunos organismos internacionales.
Realizar cada uno de los ensayos mecánico no es dificulto y
actualmente con tanta tecnología se pueden obtener muchos resultados
al mismo tiempo (carga, elongación, reducción de área, entre otros) que
son por separados datos importantes para el estudio de cada material.
Estos procedimientos desde cómo se prepara un probeta para cada
ensayo hasta el proceso de recolección de datos del mismo se estudiará
en este informe sobre los ensayos más utilizados.
Los términos ensayo de tracción y ensayo de comprensión se usan
normalmente a la hora de hablar de ensayos en los cuales una probeta
preparada es sometida a una carga mono axial gradualmente creciente
(estática) hasta que ocurre la falla. En un ensayo de tensión simple, la
operación se realiza sujetando los extremos opuestos de la pieza de
material y separándolos. En un ensayo de comprensión, se logra
sometiendo una pieza de material a una carga en los extremos que
produce una acción aplastante. En un ensayo de tensión, la probeta se
alarga en una dirección paralela a la carga aplicada; en un ensayo de
comprensión, la pieza se acorta. Dentro de los límites de la
7
practicabilidad, la resultante de la carga se hace coincidiendo con el eje
longitudinal de la probeta.
Exceptuando algunas piezas de ensayo arbitrariamente formadas, las
probetas son cilíndricas o prismáticas en su forma y de sección
transversal constante a lo largo del tramo dentro del cual las mediciones
se toman. Las probetas en comprensión quedan limitadas a una longitud
tal que el flambeo debido a la acción columnar no constituya un factor.
Los ensayos estáticos de tracción y de comprensión son los más
realizados, además de ser los más simples de todos los ensayos
mecánicos. Estos ensayos implican la normalización de las probetas con
respecto a tamaño, forma y método de preparación y la de los
procedimientos de ensayo. El ensayo de tensión es el apropiado para
uso general en el caso de la mayoría de los metales y aleaciones no
ferrosos, fundidos, laminados o forjados; para los materiales quebradizos
(mortero, concreto, ladrillo, cerámica, etc.) cuya resistencia a la tensión
es baja, en comparación con la resistencia a la comprensión, el ensayo
de comprensión es más significativo y de mayor aplicación.
Referente al ensayo de torsión, da información directamente
del comportamiento a cortadura del material y la información de su
comportamiento a tracción se puede deducir fácilmente.
El ensayo de flexión se basa en la aplicación de una fuerza al centro
de una barra soportada en cada extremo, para determinar la resistencia
del material hacia una carga estática o aplicada lentamente.
Normalmente se usa para materiales frágiles.
A continuación información más detallada sobre todos los tipos de
ensayos y terminología relacionada con ellos.
8
TEMA Nº1 (Ensayos De Tracción Y Compresión)
1.2 TRACCIÓN:
El término tracción, define el estiramiento al cual es sometido un cuerpo
mediante la aplicación de fuerzas que tienen la misma magnitud, pero
sentidos opuestos.
El
ensayo de tracción mide la resistencia de un material a una fuerza
estática o gradualmente aplicada. Los ensayos de tracción consisten en
someter una probeta de forma y dimensiones determinadas a un
esfuerzo de tracción en la dirección de su eje, hasta romperla. Las
probetas empleadas generalmente son barras de sección regular y
constante, casi siempre circulares, pero también pueden presentarse en
forma rectangular (figura N° 1).
Como puede verse en la figura N° 1, la probeta posee ciertas
dimensiones, las cuales se encuentran normalizadas. Sus extremidades
son de mayor sección, para facilitar la fijación de las probetas a la
máquina que ha de producir el esfuerzo de tracción. En sus extremos la
probeta es sometida a dos fuerzas “P”; que cuando van accionando
9
sobre la probeta se genera un esfuerzo, el cual simbólicamente es
representado por “σ”.
Cuando en este cálculo se emplea el área inicial de la probeta, el
esfuerzo resultante se denomina esfuerzo nominal (esfuerzo
convencional o esfuerzo de ingeniería). Se puede calcular un valor más
exacto del esfuerzo axial, conocido como esfuerzo real.
1.3 ESFUERZO Y DEFORMACIONES INGENIERILES:
Para un material dado, los resultados de un solo ensayo son
aplicables a todo tamaño y formas de muestras, si se convierte la fuerza
en esfuerzo y la distancia entre marcas calibradas en deformación.
El esfuerzo y la deformación ingenieriles se definen mediante las
ecuaciones siguientes:
σ=PA (2.1) 𝛆¿Δl
L0 (2.2)
La deformación unitaria media se determina a partir del
alargamiento medido “𝜟l” entre las marcas de calibración, al dividir 𝜟l
entre la longitud calibrada L0. Si se emplea la longitud calibrada inicial se
obtiene la deformación unitaria nominal (e), de acuerdo a la expresión 2.2
1.4 ENSAYO DE TRACCIÓN:
Para iniciar el ensayo, se toma la probeta y se hacen dos marcas,
entre las cuales se mide la longitud que se denomina “Calibrada”. Esta
longitud puede dividirse en partes iguales para medir las deformaciones a
lo largo de la probeta. Para que los resultados de los ensayos sean
comparables, deben ser las probetas utilizadas geométricamente
semejantes, pues sólo entonces, bajo las mismas cargas, se obtendrán
deformaciones proporcionales.
Es decir que si “LO” es la longitud de la parte calibrada, y “S” la sección
constante entre esa sección y la longitud de la probeta deberá existir la
misma relación, según la expresión 2.3.:
Dónde:L0=KT∗¿¿ √s (2.3)
10
LO = longitud calibradaKt = coeficiente de tracciónS = Sección constante de ensayo
1.5 EJECUCIÓN DE LOS ENSAYOS DE TRACCIÓN:
Ejemplo # 3.1.
La probeta normal DIN tiene un diámetro de 20 mm, una
sección de 314 mm2, y una longitud entre puntos de 200
mm, o sea que LO = 10d. Determine el valor del
coeficiente de tracción de dicha probeta.
Solución:
Como podemos ver, se nos plantea una situación en
función de las normas DIN, para poder determinar el
coeficiente de tracción que debe tener esta probeta. En
función de ello, se aplica la ecuación (2.3), la cual
establece lo siguiente:
L0=KT∗¿¿ √s (2.3)
Sustituyendo valores, nos queda que:
KT=200
√314=11.29
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El ensayo consiste en deformar una probeta por estiramiento
uniaxial y registrar dicha deformación frente a la tensión aplicada. Se
realiza en dinamómetros o máquinas de tracción con Velocidad
regulable y un registro gráfico. Los diagramas así obtenidos,
denominados diagramas de tensión-deformación, tienen la forma que se
indica en la figura. En dicha figura se muestran los diagramas tensión
deformación de 4 tipos de plásticos diferentes así como los diferentes
parámetros que se pueden obtener del ensayo.
Las probetas tienen que medirse por lo menos en cinco puntos
dentro de la longitud marcada y la diferencia de la medida no puede ser
mayor de 0.1 mm
La probeta se coloca dentro de las mordazas tensoras, de manera
que se adapten bien y tengan efecto de cuña con accionamiento
neumático, hidráulico o manual. La fuerza inicial no debe ser demasiado
alta, porque de lo contrario podría falsear el resultado del ensayo. Así
mismo se debe cuidar que no se produzca deslizamiento de la probeta.
La máquina de ensayos está diseñada para alargar la probeta a una
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velocidad constante y para medir continua y simultáneamente la carga
instantánea aplicada (con una celda de carga) y el alargamiento
resultante (utilizando un extensómetro). El ensayo dura varios minutos y
es destructivo, o sea, la probeta del ensayo es deformada
permanentemente y a menudo rota. La velocidad de estiramiento será
siguiendo la norma ASTM.
Normalmente los ensayos de tracción se realizan en dispositivos, o
equipos adecuados, los cuales deben poseer por lo menos, condiciones
operacionales básicas. Las partes de una máquina de tracción son:
Cabezal Móvil, Cabezal Fijo, Mordazas, Barras de Ascenso y descenso
(Tornillos sin Fin). El esquema más popular para representar una
máquina de tracción es el que se presenta en la figura N° 6, en donde
aparecen los componentes básicos de la misma.
Fig. Nº
6.
Mediante una
cabeza móvil,
en la prueba
de tracción
se aplica se aplica una prueba unidireccional a la prueba.
Fig. Nº 6.
13
Los ensayos de tracción, de compresión y flexión pueden
realizarse con una maquina Universal AMSLER o similar (figura N° 7),
cuyo embolo, movido hidráulicamente, produce tracciones, compresiones
y flexiones a voluntad, y aplicando las cargas deseadas a la probeta
colocada y sujeta en la maquina por medio de mordazas o mandriles
adecuadas.
1.6
DIMENSIONAMIENTO DE LA PROBETA:
Luego de haber establecido la longitud calibrada de una probeta,
se debe realizar el marcaje, para lo cual se hace necesario el
dimensionamiento de la misma. Este dimensionamiento, es simplemente
colocarle valores
a la probeta y
ubicar el marcaje
y las distancias
que se requieren
para colocar los mandriles de las cabezas de la máquina de tracción.
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Para iniciar el dimensionamiento, lo primero que hay que hacer es tomar
la longitud total de la probeta y dividirla en dos (figura N° 2).
Posteriormente se trazara una línea de eje vertical por el centro de
la probeta (figura N° 3).
Seguidamente se marcaran los puntos que corresponden a la
longitud calibrada partiendo del eje vertical trazado. Se marca el punto de
la derecha primero y posteriormente es de la izquierda; la distancia entre
punto y punto debe ser igual a la longitud calibrada (figura N° 4).
Marcada la longitud calibrada se procede a dimensionar los
cabezales de la probeta para indicar en donde debe fijarse las mordazas
de los mandriles de la máquina de tracción. Para ello se toma una de las
mitades de la longitud total de la probeta y se divide en dos secciones; en
donde se indique la división se trazara una nueva línea de eje vertical en
donde serán colocados las mordazas (figura N° 5).
15
1.7 ENSAYOS DE TRACCIÓN EN EL CAMPO ELÁSTICO:
Cuando una barra o una probeta se someten a un esfuerzo de
tracción, sufre un alargamiento. Pues bien, la relación entre la tensión
unitaria y el alargamiento producido con respecto a la longitud inicial o
calibrada, permanece sensiblemente constante para un mismo material y
se denomina MODULO DE YOUNG o MODULO DE ELASTICIDAD, el
cual puede determinarse según la expresión 2.4.
Em=
PSΔll
=σε
Ejemplo 3.2.Una probeta de sección de 150 mm2 y de longitud entre puntos de 100 mm, es sometida a un esfuerzo de tracción lento y progresivo que le produce una deformación elástica de 0,1 mm.Determinar los módulos de Young el esfuerzo y la deformación producida cuando la fuerza aplicada de tracción total es de 3.000 kg.Solución:a) Se definen las ecuaciones necesarias para resolver este problema:
σ= PA
b) Se sustituyen los valores en las ecuaciones correspondientes a ser aplicadas:
Dónde:Em = módulo de Young o módulo de elasticidadP = Carga máxima aplicadaS = superficie o área a ser sometida a esfuerzo𝜟l = Variación de longitud generada por la deformación producida por el esfuerzo aplicadol = longitud inicial o calibradaσ= Esfuerzo aplicadoε= deformación generada.
16
El módulo de Young es aproximadamente igual a 20.000 kg/mm2
para todos los aceros, cualquiera que sea su composición y estructura,
no siendo las variaciones superiores a ± 10%. Si se siguen aplicando
tensiones crecientes a la probeta, llega un momento en que los
alargamientos dejan de ser proporcionales a la carga aplicada. Hay un
punto a partir del cual, parece como si se produjera una desconexión
molecular, y con incrementos de cargas más pequeños se producen
alargamientos mayores.
Si se representan en coordenadas cartesianas, en el eje de las
ordenadas la tensión aplicada, y en el eje de las abscisas el incremento
de la longitud (figura N° 8), observaremos que hasta un punto “e” (límite
del campo elástico), la representación es sensiblemente una recta. Pero
a partir de “e”, se inicia una curva entrándose en el campo plástico. El
valor de la tensión en el punto “e” es Em y se denomina limite aparente
de elasticidad. El límite verdadero seguramente es inferior a este valor
que se habrá tenido que rebasar para poder apreciar la falta de
proporcionalidad entre el aumento de carga y el alargamiento.
1.8 CURVA ESFUERZO-DEFORMACION:
Ejemplo 3.2.Una probeta de sección de 150 mm2 y de longitud entre puntos de 100 mm, es sometida a un esfuerzo de tracción lento y progresivo que le produce una deformación elástica de 0,1 mm.Determinar los módulos de Young el esfuerzo y la deformación producida cuando la fuerza aplicada de tracción total es de 3.000 kg.Solución:a) Se definen las ecuaciones necesarias para resolver este problema:
σ= PA
b) Se sustituyen los valores en las ecuaciones correspondientes a ser aplicadas:
ε= Δll Em=
PSΔll
=σε
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La curva esfuerzo – deformación es una gráfica en donde se
reflejan los resultados de los ensayos de tracción. Dicha gráfica, puede
indicar cuando el material es dúctil o cuando es frágil y su
comportamiento dependerá del tipo de material que se ensaye, sea este
ferroso o no ferroso. (Figura N° 9).
1.9 GRÁFICA DE ESFUERZO Y DEFORMACIÓN:
Cuando la
probeta se
encuentra bajo un esfuerzo estático de tracción simple a medida que
aumenta la carga, se estudia esta en relación con las deformaciones que
produce. Estos gráficos, permiten deducir sus puntos y zonas
A
BC
D
E
18
características revisten gran importancia, dicho gráfico se obtiene
directamente de la máquina.
Un caso típico es el diagrama que nos presenta el gráfico de un
acero dúctil indicado en la figura, en donde el eje de las ordenadas
corresponde a las cargas y el de las abscisas al de las deformaciones
longitudinales o alargamientos en milímetros.
1.10 ENSAYOS DE TRACCIÓN EN EL CAMPO PLÁSTICO:
19
Una vez que la tensión a la que se ha sometido la probeta
pasa el límite de elasticidad, o de proporcionalidad entre las cargas
y los alargamientos, hay algunas fluctuaciones en la curva,
entrándose en el denominado periodo plástico – elástico. A partir
del punto fs, que es el límite superior de fluencia los
alargamientos aumentan rápidamente sin necesidad de aumentar
la tensión hasta un punto fi, que se denomina límite inferior de
fluencia.
FIG. Nº 8. Diagrama de deformaciones y de tensiones en el ensayo
a
la
tracción de una probeta de acero.
FIG. Nº 8
20
A partir de este punto, vuelve a ser necesario aumentar la carga
durante un periodo que se conoce con el nombre de periodo de
fortalecimiento, hasta alcanzar un valor máximo de la tensión R, que se
denomina tensión de rotura, aunque la rotura propiamente dicha no se
produzca en ese punto, sino después de un periodo durante el cual la
probeta se estira rápidamente, reduciéndose sensiblemente su sección
hasta que se produce la rotura bajo un esfuerzo menor que la tensión
antes citada.
1.11 LÍMITE DE ELASTICIDAD:
Se conoce con el nombre de límite elástico o límite de
elasticidad a la carga máxima que puede soportar un metal sin sufrir
deformaciones permanentes. En la práctica es muy difícil determinar por
medio de ensayos este límite elástico tal como se ha definido. Y por eso,
prácticamente, se acepta como límite elástico el valor de la carga que
rebasa ligeramente la elasticidad produciendo una deformación muy
pequeña y perfectamente medible. En general se emplea el límite
elástico 0,2 que se representa E 0,2 y es la carga que produce una
deformación permanente del 0,2%.
Para determinarlo, se somete la probeta a cargas que aumentan
en 1 kg/mm2, manteniéndolas durante diez segundos y midiendo los
alargamientos permanentes después de suprimir las cargas. Cuando
éstos sean superiores al 0,2% de la longitud inicial, se detiene el ensayo,
obteniendo la carga que haya producido el alargamiento del 0,2% por
interpolación.
Para muchas aplicaciones, resulta más útil que determinar el límite
de elasticidad comprobar solamente si supera un valor mínimo para un
material determinado. En este caso, el ensayo se limita a someter la
probeta, durante diez segundos, a la tensión fijada y comprobar si, una
21
vez descargada, la deformación permanente es inferior o superior al
0,2% de la distancia entre puntos.
El límite elástico tiene una gran importancia en los proyectos
mecánicos, no solo para el cálculo de muelles, que son los elementos
elásticos por excelencia, sino para el cálculo de toda clase de elementos,
de aparatos, máquinas y estructuras, pues se ha de tener en cuenta que
las piezas se dimensionan para que trabajen por debajo del límite de
elasticidad, ya que no interesa que adquieran deformaciones
permanentes.
1.12 ALARGAMIENTO:
El ensayo de tracción para la determinación del alargamiento se
realiza aumentando aproximadamente la tensión en 1 kg/mm2 por
segundo, de manera que se produzcan alargamientos máximos de 0,3%
por minuto en el periodo elástico. En el periodo plástico, la velocidad de
aumento de carga no será superior a la que produzca una deformación
por minuto igual al 25% de la distancia entre puntos. Si no interesa hallar
el límite de elasticidad, puede mantenerse esta misma velocidad durante
todo el ensayo.
Una vez rota la probeta, se unen las dos partes y se mide la
distancia entre marcas. Se denomina Alargamiento al experimentado por
la probeta, expresado en tanto por ciento de la longitud inicial entre
puntos y se determina mediante la expresión 2.5.:
A=l f−l0l0
x 100 (2.5)
Dónde:
LO = Longitud inicial o distancia entre marcas de la probeta
Lf = Longitud final después de la deformación y/o rotura
A = Alargamiento
1.13 LA ESTRICCIÓN:
Dónde:
LO = Longitud inicial o distancia entre marcas de la probeta
Lf = Longitud final después de la deformación y/o rotura
A = Alargamiento
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La rotura de una probeta en el ensayo de tracción puede producirse
de dos maneras:
a) Después de la deformación elástica. Entonces la rotura se
produce bruscamente, sin deformación aparente en su sección. Esta
clase de roturas se produce cuando los materiales son poco dúctiles o
cuando sus estructuras están en estado de tensión.
b) Después de la deformación plástica. En este caso, la probeta
disminuye de sección sensiblemente en las proximidades de la sección
de rotura. Estricción es la disminución de la sección en la fractura de una
probeta rota por alargamiento. Se expresa en tanto por ciento de la
sección inicial, o sea:
ϵ=S0−SFS0
X 100 (2.6)
Si las probetas son de sección circular, como ocurre generalmente,
puede calcularse su área por la conocida expresión 2.7.:
S=π4∗D2
(2.7)
Pudiendo transformarse la fórmula de la estricción así:
ϵ=S0−SFS0
X 100=
π4∗D0
2−π4∗Df
2
π4∗D0
2x100=
D 02−Df
2
D02 X100
Siendo DO el diámetro inicial y Df el diámetro de la sección rota.
1.14 RESISTENCIA A LA ROTURA:
La resistencia a la rotura no es una propiedad, sino el resultado de
un ensayo que da la carga necesaria por unidad de sección para producir
la rotura del metal ensayado. Se valora en kg/cm2 o en kg/mm2. Como la
rotura de un metal puede producirse por tracción, por compresión, por
Dónde:∈ = Estricción
SO = Sección inicial antes del ensayoSf = Sección final después de la rotura
23
torsión o por cizallamiento, habrá una resistencia a la rotura por tracción,
otra por compresión, otra por torsión y otra por cizallamiento.
Como ya se ha establecido en los primeros párrafos, que al
rebasar una carga “E”, que denominamos limite elástico, se empieza el
metal a deformar permanentemente, es decir, que el metal salta del
periodo elástico al periodo o zona plástica. A partir del punto citado, para
que la deformación aumente, debe ir aumentando también la carga hasta
que, al llegar a la carga “R” (figura N° 7), el metal se sigue deformando
sin aumento de carga, hasta que se rompe. Si denominamos R a la
resistencia a la rotura del material (Resistencia a la Tracción
Aproximada), E al límite elástico y P a la carga que es preciso
suplementar a E para producir la rotura del metal, tendremos,
evidentemente la siguiente expresión:
Es decir, que la resistencia a la rotura R se compone de la carga
límite de elasticidad E y del suplemento de carga aplicado en la zona
plástica P. hacemos resaltar esto, porque si bien hemos indicado antes,
en la sección 2.6, que se calculan las piezas metálicas para que trabajen
sin llegar al límite elástico y evitar así que en su trabajo normal se
deformen permanentemente, interesa también que los metales tengan
una zona plástica de reserva, cuya carga P pueda absorber sobrecargas
accidentales que deformaran el metal, pero no llegaran a romperlo si no
rebasan la carga P.
Un ejemplo de lo antes expuesto, se refleja en los parachoques de
los automóviles, los cuales son en general de acero, y los pequeños
golpes los encajan sin deformarse permanentemente, porque no rebasan
su límite elástico. Pero si un automóvil, por accidente, choca
violentamente contra un árbol, el parachoques se deforma, pero, en
general, no se rompe, porque absorbe en su zona plástica la sobrecarga
accidental.
24
1.15 RESISTENCIA A LA ROTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS:
Las propiedades de los materiales se modifican, en general, al
elevar su temperatura. En el acero, hasta 250°, aumenta su resistencia y
disminuye su capacidad de deformación. Por encima de los 250° ocurre
lo contrario. Esta temperatura es la llamada temperatura azul, porque al
limar una pieza de acero las temperaturas de 200° y 300°, aparece el
metal de color azul, que desaparece pronto si no llega a los 250° y se
vuelve más oscuro si se había rebasado esta temperatura.
Otra zona critica de temperatura es la de 500° a 600°, en las que el
acero se pone al rojo oscuro, y los aceros que contienen azufre se
vuelven frágiles. Por debajo de 0°, los aceros se vuelven más frágiles y
disminuye su ductilidad.
1.16PROPIEDADES:
Esfuerzo de cedencia: se define como el punto en el cual, el
material sufre una deformación plástica, es decir, el material pasa la zona
de deformación elástica y queda deformado permanentemente.
Esfuerzo a tensión: este se define como la relación de la máxima
carga soportada durante la prueba de tracción entre el área de la sección
transversal original. Siguiendo el comportamiento de la probeta durante
la prueba, observaremos q al llegar a la carga de cedencia la probeta
sufre una reducción de área en su sección transversal ocasionando lo q
se denomina cuello de botella y por consiguiente, la carga q la probeta
resiste comienza a decrecer hasta llegar a la ruptura de esta.
Modulo Elástico: el modulo elástico o módulo de Young, se
determina la rigidez de un material, la cual se define como la resistencia
25
a la deformación, esto indicaría la capacidad que tiene un material al
deformarse. Este valor se obtiene a partir de la ecuación:
Modulode Elasticidad E= ESFUERZOELONGACION
Ductibilidad del material: La ductilidad de un material a tensión puede
caracterizarse por su alargamiento total y por la disminución de área en
la sección transversal donde ocurre la fractura.
La elongación porcentual se define como sigue:
Elongaci ón=L f−L0
L0
(100 )
- Donde L0 es la longitud calibrada original y LF es la distancia entre
las marcas de calibración al ocurrir la fractura.
- La reducción porcentual de área mide el valor de la estricción que
se presenta y se define como sigue:
-
RA=A0−AFA0
(100 )
Donde A0 es el área original de la sección transversal y AF es el área
final en la sección de la fractura.
1.17 E NSAYO 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
26
todo aceros), aunque puede realizarse sobre cualquier material. Es un
ensayo mucho menos empleado que el ensayo de tracción, aplicándose
sobre todo en probetas de materiales que van a trabajar a compresión,
como el hormigón o la fundición, o incluso en piezas acabadas.
El ensayo se realiza sobre una probeta del material, normalmente de
forma cilíndrica, en una máquina universal de ensayos, obteniéndose una
curva de tensión aplicada frente a deformación relativa producida, al igual
que en el ensayo de tracción, como se muestra en la figura. Por
convenio, las tensiones y deformaciones en compresión se consideran
negativas, de ahí la posición del gráfico en el tercer cuadrante.
A partir de la curva citada se pueden definir tres
puntos característicos principales:
Y: Límite de fluencia: punto a partir del cual
se producen deformaciones plásticas
permanentes
U: Límite de resistencia última o límite de
rotura: punto en el que se alcanza la tensión
máxima de compresión
F: Punto de fractura: punto en el que se produce la rotura de la
probeta.
1.18ENSAYO DE COMPRESIÓN ENTRE BLOQUES:
Se somete al material a una carga axial de compresión.
Probetas: cilindros o prismas rectos de caras paralelas.
Aplicación de la carga: axial y centrada (`para que el estado
tensional sea uniforme). Se miden cargas y acortamientos.
27
Diagrama convencional:
Observaciones:
- Admite grandes deformaciones.
- No hay estricción.
- Posibilidad de pandeo.
- La fricción genera triaxialidad de tensiones y no homogeneidad de
deformaciones.
Para trabajar en el primer cuadrante del grafico tensiones vs
deformaciones.
Esquema del ensayo:
Observaciones: para eliminar la influencia del coeficiente de forma se
obtienen curvas para diversas relaciones D0/h0, con ellas se trazan
curvas σ vs. D0/h0 a deformación constante, extrapolando estas curvas a
D0/h0=0 se obtiene una curva ideal (curva básica de tensión-
deformación) no afectada por el roce.
Tensión
Compresión
1
21 Curva Convencional
Curva Real2
28
- Fricción entre probeta y placas: Dificulta y llega a impedir la
expansión de los extremos de la probeta. Se atenúa hacia la zona central
y prácticamente desaparece a una distancia de los extremos,
aproximadamente igual a un diámetro.
- Abarrilamiento: origina zonas internas no deformadas. Puede
minimizarse con lubricación adecuada.
- Camas y bloques de apoyo: los extremos de las probetas de
compresión deben ser planas para no causar concentraciones de
esfuerzos y deben ser perpendiculares al eje de la pieza para no causar
flexión debida a la carga excéntrica.
29
1.19PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO DE COMPRESIÓN ENTRE
BLOQUES:
FIG. a FIG. b
FIG. d FIG. c
FIG. f FIG. e
FIG. h FIG. g
FIG. i FIG. j
30
1.20ENSAYO DE WATTS Y FORD:
Es un ensayo para láminas u hojas
metálicas. El ensayo consiste en
comprimir una banda angosta de la
lámina entre dos placas de ancho b.
Los “hombros” del material a cada
lado de las placas, impiden que el
material deforme en la dirección del
ancho w. Se requiere que w/b>5. Si el espesor original de la placa era t0
y después de la compresión es t, debe verificarse, además, 1/4<t/b<1/2.
Estas dos condiciones aseguran fluencia plana.
Las placas se cambian a fin de garantizar las condiciones
anteriores. La lubricación es fundamental: si no hay buena lubricación
se forma una “zona muerta” junto a las placas.
1.21 PROBETAS PARA COMPRESIÓN DE METALES:
En los ensayos de compresión, la forma de la probeta tiene gran
influencia, por lo que todos ellos son de dimensiones normalizadas.
El rozamiento con los platos de la maquina hace aparecer,
como dijimos, un estado de tensión compuesta que aumenta la
resistencia del material, la influencia de estas tensiones va
disminuyendo hacia la sección media de la probeta, razón por la cual se
obtiene mejores condiciones de compresión simple cuando están se
presenta con forma prismáticas o cilíndricas de mayores alturas, las
FIG. k FIG. l
FIG. m FIG. n
31
que se limitan, para evitar el efecto del flexionamiento lateral debido al
pandeo.
1.22 PAUTAS PARA REALIZAR UN ENSAYO DE COMPRESIÓN:
En general es posible efectuar las mismas determinaciones que
en el ensayo de tracción, por lo que solo insistiremos en las más
importantes. Resistencia estática a la compresión:
Tensión al límite proporcional:
En los metales muy maleables, que se deforman sin rotura, la
tensión al límite proporcional resulta el único valor empleado a los fines
comparativos.
Tensión al límite de aplastamiento:
El valor de Pf que corresponde al límite de aplastamiento es
equivalente al de fluencia por tracción, no presentándose en forma
tan nítida como este ni aun en los aceros muy blandos, por lo que
generalmente se calcula, en su reemplazo, la tensión de
proporcionalidad.
Acortamiento de rotura
Correspondiente al alargamiento de rotura por tracción.
Ensanchamiento transversal.
32
Corresponde a la estricción en tracción.
TEMA Nº22.1 ENSAYOS DE DEFORMACIÓN:
La curva usual Esfuerzo - Deformación (llamada también
convencional, tecnológica, de ingeniería o nominal), expresa tanto el
esfuerzo como la deformación en términos de las dimensiones originales
de la probeta, un procedimiento muy útil cuando se está interesado en
determinar los datos de resistencia y ductilidad para propósito de diseño
en ingeniería. Para conocer las propiedades de los materiales, se
efectúan ensayos para medir su comportamiento en distintas situaciones.
Estos ensayos se clasifican en destructivos y no destructivos. Dentro de
los ensayos destructivos, el más importante es el ensayo de tracción.
La curva Esfuerzo real - Deformación real (denominada
frecuentemente, curva de fluencia, ya que proporciona el esfuerzo
necesario para que el metal fluya plásticamente hacia cualquier
deformación dada), muestra realmente lo que sucede en el material. Por
ejemplo en el caso de un material dúctil sometido a tensión este se hace
inestable y sufre estricción localizada durante la última fase del ensayo y
la carga requerida para la deformación disminuye debido a la disminución
del área transversal, además la tensión media basada en la sección
inicial disminuye también produciéndose como consecuencia un
descenso de la curva Esfuerzo - Deformación después del punto de
carga máxima. Pero lo que sucede en realidad es que el material
continúa endureciéndose por deformación hasta producirse la fractura,
de modo que la tensión requerida debería aumentar para producir mayor
deformación. A este efecto se opone La disminución gradual del área de
33
la sección transversal de la probeta mientras se produce el alargamiento.
La estricción comienza al alcanzarse la carga máxima
Diagrama esfuerzo-deformación obtenido a partir del ensayo
normal a la tensión de una manera dúctil. El punto P indica el límite de
proporcionalidad; E, el límite elástico Y, la resistencia de fluencia
convencional determinada por corrimiento paralelo (offset) según la
deformación seleccionada OA; U; la resistencia última o máxima, y F, el
esfuerzo de fractura o ruptura.
El punto P recibe el nombre de límite de proporcionalidad (o límite
elástico proporcional). Éste es el punto en que la curva comienza primero
a desviarse de una línea recta. El punto E se denomina límite de
elasticidad (o límite elástico verdadero). No se presentará ninguna
deformación permanente en la probeta si la carga se suprime en este
punto. Entre P y E el diagrama no tiene la forma de una recta perfecta
aunque el material sea elástico. Por lo tanto, la ley de Hooke, que
expresa que el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación,
se aplica sólo hasta el límite elástico de proporcionalidad.
Todo cuerpo al soportar una fuerza aplicada trata de deformarse
en el sentido de aplicación de la fuerza. En el caso del ensayo de
tracción, la fuerza se aplica en dirección del eje de ella y por eso se
denomina axial, la probeta se alargara en dirección de su longitud y se
34
encogerá en el sentido o plano perpendicular. Aunque el esfuerzo y la
deformación ocurren simultáneamente en el ensayo, los dos conceptos
son completamente distintos.
A escala atómica, la deformación elástica macroscópica se manifiesta
como pequeños cambios en el espaciado interatómico y los enlaces
interatómicos son estirados. Por consiguiente, la magnitud del módulo
de elasticidad representa la resistencia a la separación de los átomos
contiguos, es decir, a las fuerzas de enlace interatómicas. A escala
atómica, la deformación plástica corresponde a la rotura de los enlaces
entre átomos vecinos más próximos y a la reformación de éstos con
nuevos vecinos, ya que un gran número de átomos o moléculas se
mueven unos con respecto a otros; al eliminar la tensión no vuelven a
sus posiciones originales.
2.2LA LEY DE HOOKE :
Se aplica en ensayos de tracción y con carácter general se enuncia
así:
“Las deformaciones producidas en un elemento resistente son
proporcionales a las fuerzas que lo producen”
FuerzaDeformacion
=Constante=tg∝
La fuerza es de tracción (F) y la
deformación Δl = l – lo
La constante se representa por
K = tg α
35
Unidades:
F = En el sistema internacional Newton (N), también se elige kilopondio
(Kp)
Δl = En el sistema internacional Metros (m), también se elige cm o mm
K en el Sistema Internacional N/m , también se elige Kp/cm o Kp/mm
En realidad se emplea el diagrama σ –
σε=constante=E
Siendo E el módulo de Young o módulo elástico, que representa la
pendiente de la recta σ – ε
E : Unidades en el sistema internacional N
m2, otras sonkp
cm2 , o kp
mm2
σ: Unidades en el sistema internacionalN
m2, otras sonkp
cm2 , o kp
mm2
ε : no tiene unidades (adimensional) Por ello, redefinimos la ley de Hooke
Los alargamientos unitarios (deformaciones) (ε )son proporcionales a la
tensión que los producen (σ), siendo la constante de proporcionalidad el
módulo elástico (E)
σε=E
2.3 ENSAYOS DE TENSIÓN-DEFORMACIÓN:
Para la realización de ensayos de tensión-deformación se utilizará
una máquina estática conectada a un ordenador externo. Antes de
comenzar el ensayo es necesario que la máquina se encuentre en la
posición 1 (posición de puesta en marcha).
Mordazas
Parada deemergencia
Movimiento manual de las mordazas
Puesta en marcha
En servicio(verde)
36
“Encender el ordenador y pinchar en el icono panel de control para
acceder al programa SCM3000 95, que es el sistema diseñado para la
ejecución automática de ensayos sobre máquinas estáticas”.
La pantalla aparecerá dividida en 5 paneles:
En el panel Tipo de control seleccionamos Manual .
En el panel denominado Paneles seleccionamos General. Al activar
este control podemos configurar algunos parámetros:
Tipo de control
PanelesControl motor y movimiento
Posición
37
En Configuración movimiento podemos seleccionar como
queremos que se mueva la mordaza superior:
- Movimiento de la mordaza hacia arriba.
- Movimiento de la mordaza hacia abajo.
- El otro botón no se usa.
En Variable de Control seleccionamos Posición. En Final de
rampa escribir un valor grande (p.ej. 505mm)
Activamos el botón Joystick, esto nos da la posibilidad de mover
manualmente las mordazas. Para que se muevan hay que activar
previamente el botón Motor.
Colocamos la muestra en las mordazas. Las mordazas se pueden
mover manualmente utilizando el Joystick o bien automáticamente
seleccionando el movimiento de las mordazas en configuración de
movimiento.
Una vez colocada la muestra debemos asegurarnos que el movimiento
de la mordaza es hacia arriba. Si el último movimiento fue hacia abajo
(tanto con el Joystick como automáticamente) debemos cambiarlo en
configuración de movimiento.
En Sensibilidad de ruptura podemos seleccionar la sensibilidad
en tantos por ciento (%) respecto a la variable fuerza en cada momento.
Es decir, si la fuerza “cae” más allá de un % prefijado del valor actual, se
detectará rotura y la máquina se parará. (Posición habitual 50%)
En la parte inferior izquierda se encuentra el panel con el control
del motor y movimiento. Siempre que queramos que la máquina
funcione tendremos que accionar el botón Motor.
En la parte superior derecha hay un panel que nos informa sobre la
Posición de las mordazas y la Fuerza.
38
En Fuerza pulsar el botón cero para poner la fuerza a cero. La Posición
refleja la distancia entre el transductor y la base, y dependerá del tamaño
de la probeta que vamos a romper.
INICIO DEL ENSAYO:
En tipo de control pulsamos control manual.
En el Panel de adquisición aparecerá el nombre del ensayo de manera
automática, podemos cambiarlo escribiendo del recuadro.
Posición
Transductor
Activar Adq.
Ensayo Auto-Escala
Adquisición
39
Seleccionamos Auto-escala y Activar Adquisición. Posteriormente
procedemos con la siguiente secuencia:
- Activar motor, Iniciar y Marcha
En la pantalla podemos observar cómo va variando la fuerza y la posición
y también se va dibujando la curva Tensión-Deformación.
Cuando se rompa la probeta detener la adquisición y parar el motor. En
el panel superior izquierdo nos aparecerá el gráfico del ensayo realizado.
Pulsando el botón cursores se pueden observar los datos relevantes del
gráfico.
Para el análisis y tratamiento de los datos, salir del panel de control y
pinchar en el icono Tratamiento de Datos.
TRATAMIENTO DE DATOS
Seleccionar Elementos: En Gráfico.
Pulsar el botón nuevo ensayo. Abrimos el archivo con el ensayo
realizado. Nos muestra el gráfico de nuestro ensayo con los datos
finales.
Si no se ve el gráfico ir a configurar gráfico. Elegir colores (excepto el
negro) para las líneas del gráfico y comprobar que el ancho de trazado
tiene seleccionado un valor distinto de cero.
En el gráfico podemos superponer dos ensayos.
Exportar ensayo. Exporta el ensayo a un fichero ASCII.
40
En Opciones nos muestra el directorio destino C:\SMC3000 95\Exportar,
así como el Separador de columnas y Separador decimal. Por defecto
tiene; (punto y coma) como separador de columnas y , (coma) como
separador decimal.
Importante: Cuando importemos el archivo hay que comprobar que el
programa de gráfico (Excel, Origin) tenga los mismos signos como
separadores.
En Control de Proceso seleccionamos el archivo origen con extensión.
dtg y abrimos.
Pulsar exportar.
Al exportar convierte el ensayo en un archivo ASCII .
Elementos:
Datos tabulados. Seleccionamos nuestro archivo. Nos muestra una
tabla con los datos.
Nota: Realizar el ensayo a una velocidad de 10 mm/min
Tomar el diámetro de los hilos o la sección transversal de las
probetas según sea el caso.
El informe de la práctica debe contener:
1. Obtener la expresión para el cálculo del módulo de resiliencia a partir
de un ensayo de tensión-deformación.
2. Para cada uno de los materiales empleados representar las curvas
ingenieriles y determinar:
Módulo de Young
41
Límite elástico
UTS (Esfuerzo máximo a la tracción)
Ductilidad
Módulo de Resiliencia
Módulo de Tenacidad
3. A partir de los valores anteriores hacer una comparación entre los
distintos materiales ensayados de acuerdo a sus propiedades
mecánicas.
2.5 ENSAYOS DE DUREZA:
PRINCIPIO FUNDAMENTAL DE LA DUREZA:
Todos los materiales, se encuentran conformados internamente
por átomos bien distribuidos a través de toda la masa del mismo. Entre
cada átomo existen pequeños espacios o vacantes, que se denominan
“ESPACIOS INTERSTICIALES O INTERSTICIOS”; (figura N° 1.),
dichos espacios conforman una especie de colchón cuando existe un
cuerpo extraño incidiendo sobre su superficie.
A medida que el cuerpo incide sobre la superficie, dichos espacios
actúan impidiendo la entrada del mismo. Si la cantidad de espacios
intersticiales es mayor el cuerpo incidente puede penetrar más al material
generando huellas de mayor diámetro o tamaño; pero si la cantidad de
espacios es menor, el cuerpo incidente penetra muy poco y la huella
42
generada es de menor tamaño o diámetro. En resumen se pueden
establecer los siguientes Principios:
• A mayor espacios intersticiales y menor cantidad de átomos, menor es
su valor de dureza.
• A menor espacios intersticiales y mayor cantidad de átomos, mayor es
su valor de dureza.
• Un material a mayor dureza se considera más frágil.
Cuando un material presenta un valor de dureza alto se considera
totalmente duro a la penetración pero es totalmente frágil al impacto.
TIPOS DE DUREZA:
La dureza no es una propiedad fundamental de un material, sino que
está relacionada con las propiedades de elasticidad y plasticidad. El
Procedimiento de prueba y la preparación de la muestra suelen ser
sencillos y los resultados pueden utilizarse para estimar propiedades
mecánicas. Los tipos de dureza más comunes son:
a) DUREZA AL RAYADO: Resistencia que opone un material a
dejarse rayar por otro. Dentro de la dureza al rayado tenemos:
- DUREZA A LIMA:
Puede determinarse aproximadamente la dureza de un acero por
medio de una lima metálica nueva o en buen estado. Si la lima no entra,
su dureza será superior a 60 HRc ó 60 Rockwell C, y si le entra, será
inferior a 58 HRC ó Rockwell C. Este tipo de dureza puede considerarse
incluido entre los que miden la dureza al rayado.
43
- DUREZA MOHS (MINERALÓGICA):
Se usa para determinar la dureza de los minerales. Se basa en
que un cuerpo es rayado por otro más duro. Esta es la escala de Mohs.
44
- DUREZA MARTENS:
Se basa en la medida de la anchura de la raya que produce en el
material una punta de diamante de forma piramidal y de ángulo en el
vértice de 90°, con una carga constante y determinada. Se aplica sobre
superficies nitruradas. Se mide “a” en micras (figura N° 5) y la dureza
Martens viene dada por:
- DUREZA TURNER:
Es una variante de la dureza Martens. La dureza viene dada en
función de los gramos necesarios (carga necesaria, P) para conseguir
una deformación tal que a = 10 micras. El valor de las carga será el valor
de la dureza Turner.
b) DUREZA A LA PENETRACIÓN:
La determinación de la dureza se hace generalmente por los
ensayos de penetración o también conocidos como ensayos mecánicos.
Consiste en la utilización de un penetrador que incide en la superficie del
material.
Sobre este penetrador se ejerce una carga conocida presionando
el penetrador a 90° de la superficie del material de ensayo. El penetrador
tiene diferentes formas y de acuerdo a esta es la huella que queda
45
impresa en el material la cual tiene un diámetro una profundidad
determinada. De acuerdo a la geometría de la huella y a la carga, se
utilizan diferentes fórmulas para determinar el valor de la dureza.
Actualmente hay aparatos que leen la dureza de una forma digital,
dependiendo del tipo de método de ensayo aplicado.
Los métodos más utilizados son:
- Método Brinell (HB)
- Método Rockwell (HR)
- Método Vickers (HV)
- Método Shore (HS)
Las abreviaturas HB, HR, HV y HS; son unidades de medidas
establecidas para cada método al igual que el metro (m), la pulgada (pl.),
entre otros. La H significa “Hardness” o dureza en ingles, la letra que le
sigue corresponde al método aplicado.
- METODO BRINELL (HB):
Iniciaremos este punto con uno de los métodos más aplicados
tanto a nivel de campo, como de laboratorio, y tal vez uno de los que
tiene más auge en el ambiente industrial. El aparato más elemental
consiste en una prensa mediante la cual se aplica la carga
correspondiente (figura N° 6).
46
El método consiste en comprimir una bola de acero templado de
diámetro “D" sobre el material a ensayar, por medio una carga de “P”
medida en Kg y durante un tiempo “t” medido en segundos. Este método
utiliza patrones estándar de ensayo para poder de forma tal que se
pueda facilitar las condiciones de medida y ejecución; dichos patrones
estándar se encuentra descrito en la siguiente tabla.
El Penetrador de dureza Brinell generalmente consta de una
prensa hidráulica vertical de operaciones manual, diseñada para forzar
un marcador de bola dentro de la muestra. (Figura N° 7).
El diámetro de la impresión o huella (figura N° 9), producida es
medido por medio de un microscopio manual portátil que contiene una
escala ocular (figura N° 8), generalmente graduada en milímetros, que
permite estimaciones de hasta casi 0.05 mm. El microscopio portátil es
semejante a un bolígrafo, el cual se coloca sobre el material y
específicamente sobre la huella para poder realizar la medición del
diámetro de la misma tal y como se observa en la figura N° 9. El número
de dureza Brinell (HB) es la razón de la carga en kilogramos al área en
milímetros cuadrados de la impresión, y se calcula mediante la fórmula
de dureza Brinell (HB).
Figura N° 6
47
Por lo general no se necesita hacer el cálculo, ya que existen
tablas para convertir el diámetro de la huella observada al número de
dureza Brinell. El diámetro de la huella dejado por el penetrador. Para
poder entender el manejo de esta tabla debemos realizar un ejemplo y de
esta manera aprender a manejarla. Basada en la figura indicada se
puede determinar el valor de dureza mediante la aplicación de la formula
(1.1.), en donde se establecen los diversos parámetros que involucran el
ensayo.
Donde:
P = Carga de Prueba (kg)
D = Diámetro de la Bola (mm)
NHB= 2PπxD ¿¿
(1.1)
48
d = Diámetro de la impresión o huella. (mm)
Si observamos bien la tabla N° 1, podemos ver que la misma se
compone de varias columnas, para lo cual iniciaremos su lectura de
izquierda a derecha. La primera columna tiene como subtítulos “BRINELL
y más abajo BOLA DE 10 mm CON 3.000 KG”; si observamos estos
valores podemos ver que los mismos corresponden a los parámetros
originales de los ensayos Brinell (Ver Tabla de Patrones de Ensayos). La
primera columna se encuentra dividida en dos subcolumnas: Una en
donde se identifica el diámetro de huella dejada por el cuerpo penetrante
y la columna siguiente que indica el valor de dureza en Brinell.
Consecutivamente se reflejan otras columnas, en donde se
especifican otros valores pero en otros métodos, tales como el Rockwell
en sus dos principales escalas, el Vickers y el Shore, pero también
especifica los valores de
Resistencia a la Tracción Aproximada, ya que los valores de
dureza se encuentran estrechamente relacionados con la resistencia del
material.
- METODO ROCKWELL (HR):
Este método se basa también en la resistencia que oponen los
metales a ser penetrados; pero en lugar de determinar la dureza del
material en función del diámetro de huella que deja el cuerpo penetrante,
se determina en función de la profundidad de la huella.
Los cuerpos penetrantes son: Un diamante en forma de cono de 120º ±
1º, con una punta redondeada (Figura N° 11), con radio de 0.2 ± 0.01
mm, que se denomina también penetrador “BRALE”, y las bolas de
acero templado de 1/8” y 1/16”; también se utilizan aunque con menos
frecuencia las bolas de ½” y de ¼”. Se utilizan cargas de 60, 100 y 150
49
kg, para materiales gruesos de 6 mm de espesor en adelante, y de 15,
30 y 45 kg, para materiales delgados con espesores de 6 mm hacia
abajo. En total existen veintiuna escalas para veintiuna combinaciones de
penetradores y cargas.
El método Rockwell se divide en dos tipos de pruebas. Las
pruebas Normales que se aplican a materiales con espesores de 6 mm
en adelante y las pruebas superficiales aplicables a materiales con
espesores de 5.99 mm hacia abajo. El tiempo de penetración para
cualquier tipo de material, en cualquier condición y para cualquier
espesor es de 10 segundos.
MANEJO DEL EQUIPO ROCKWELL:
En la prueba de dureza Rockwell, se utiliza un instrumento de
lectura directa basado en el principio de medición de profundidad
diferencial. La prueba se lleva a cabo al elevar la muestra lentamente
contra el marcador hasta que se ha aplicado una carga determinada
menor. Esto se indica en el disco del Dial o comparador o medidor.
Luego se aplica una carga mayor a través de un sistema de
palanca de carga o aplicador de carga. Después de que la aguja o
indicador superior llega al reposo, se quita la carga mayor y con la carga
50
todavía en acción, el número de dureza Rockwell es leído directamente
en el Dial. Como el orden de los números se invierte en el Dial, una
impresión poco profunda en un material duro dará un número grande en
tanto que una impresión profunda en un material blando dará un número
pequeño. El funcionamiento de la maquina debe ser verificado
frecuentemente con bloques de prueba estándar proporcionados por el
fabricante.
- METODO VICKERS:
El ensayo del método Vickers se deriva directamente del método
Brinell, empleándose actualmente en los laboratorios, para piezas
delgadas y templadas, con espesores mínimos hasta de 0,2 mm.
En el método Vickers se utiliza como cuerpo penetrante una punta
piramidal de base cuadrada y ángulo en el vértice, entre caras, de 136º,
con precisión obligada de 20 segundos (Figura N° 11). Este ángulo se
eligió para que la bola de Brinell quedase circunscrito al cono en el borde
de la huella, cuyo diámetro, se procura que sea aproximadamente igual a
0.375 D.
La dureza Vickers se encuentra por la relación entre la carga citada
y la superficie de la huella, como en el método Brinell, y, por tanto, se
corresponde con éste hasta unas 300 unidades de durezas. Para
durezas más elevadas, la bola de Brinell se deforma, y la divergencia
entre Brinell y Vickers es cada vez mayor.
El ensayo Brinell como ya se ha dicho no debe aplicarse para medir
durezas superiores a 500 HB.
51
- METODO DE SHORE:
Se basa en la reacción elástica del material cuando dejamos caer
sobre él un material más duro.
Si el material es blando absorbe la energía del choque, si el
material es duro produce un rebote cuya altura se mide.
La práctica se realiza en un "esclerómetro" o "escleroscopio",
aparato formado por un tubo de cristal de 300 mm de altura, por cuyo
interior cae un martillo con punta de diamante redondeada de 2,36 g. La
altura de la caída es de 254 mm y la escala esta dividida en 140
divisiones.
52
53
54
2.5 DEFORMACIÓN ELÁSTICA Y PLÁSTICA:
Un material sometido a una tensión (fuerza) produce una deformación
del mismo. Si al cesar la fuerza el material vuelve a sus dimensiones
primitivas, diremos que ha experimentado una deformación elástica. Si la
deformación es tal que no recupera por completo sus medidas originales
es una deformación plástica.
Comúnmente se entiende
por materiales elásticos,
aquellos que sufren grandes
elongaciones cuando se les
aplica una fuerza, como la
goma elástica que puede
estirarse sin dificultad
recuperando su longitud original una vez que desaparece la carga. Este
comportamiento, sin embargo, no es exclusivo de estos materiales, de
modo que los metales y aleaciones de aplicación
técnica, piedras, hormigones y maderas empleados en construcción y, en
general, cualquier material, presenta este comportamiento hasta un cierto
valor de la fuerza aplicada; si bien en los casos apuntados las
deformaciones son pequeñas, al retirar la carga desaparecen.
Al valor máximo de la fuerza aplicada sobre un objeto para que su
deformación sea elástica se le denomina límite elástico y es de gran
importancia en el diseño mecánico, ya que en la mayoría de aplicaciones
es éste y no el de la rotura, el que se adopta como variable de diseño
(particularmente en mecanismos). Una vez superado el límite elástico
aparecen deformaciones plásticas (remanentes tras retirar la carga)
comprometiendo la funcionalidad de ciertos elementos mecánicos.
55
DEFORMACIÓN CON ELASTICIDAD LINEAL:
En teoría lineal de la elasticidad dada la pequeñez de las
deformaciones es una condición necesaria para poder asegurar que
existe una relación lineal entre los desplazamientos y la deformación.
Bajo esas condiciones la deformación puede representarse
adecuadamente mediante el tensor deformación infinitesimal que viene
dada por:
Los componentes de la diagonal principal contienen los
alargamientos (dilataciones), mientras que el resto de los componentes
del tensor son los medios desplazamientos. Las componentes están
linealmente relacionadas con los desplazamientos mediante esta
relación:
DEFORMACIÓN CON ELASTICIDAD NO LINEAL:
Una deformación elástica finita implica un cambio de forma de un
cuerpo, debido a la condición de reversibilidad ese cambio de forma
viene representado por un difeomorfismo. Formalmente si
representa la forma del cuerpo antes de deformarse y la forma
del cuerpo después de deformarse, la deformación viene dada por un
difeomordismo:
56
El tensor deformación puede definirse a partir del gradiente de
deformación que no es otra cosa que la matriz jacobiana de la
transformación anterior:
Existen diversas representaciones alternativas según se escojan las
coordenadas materiales iniciales sobre el cuerpo sin deformar (X, Y, Z) o
las coordenadas sobre el cuerpo deformado (x, y, z):
El primero de los dos tensores deformación recibe el nombre de tensor
de deformación de Green-Lagrange, mientras que el segundo de ellos es
el tensor deformación de Almansi. Además de estos tensores en las
ecuaciones constitutivas, por simplicidad de cálculo, se usan los tensores
de Cauchy-Green derecho e izquierdo:
DEFORMACIÓN PERMANENTE:
Cuando a un material granular se inducen ciclos de carga y descarga,
parte de la deformación total (εT) que se genera es recuperada
(deformación resiliente, (εr)). Aquella deformación que no se recupera se
acumula con cada repetición del ciclo y se le denomina deformación
permanente (εp). En un pavimento estas deformaciones generan
57
hundimientos o desplazamientos que, en exceso, pueden generar fallas
funcionales y/o estructurales.
Hay ciertos Factores que influyen en la resistencia de la deformación
permanente como son:
3 Influencia del esfuerzo
4 Influencia de la historia de esfuerzo
5 Influencia del contenido de agua
6 Influencia de la densidad
7 Influencia del número y frecuencia de carga
8 Influencia de la granulometría, tamaño máximo, cantidad de finos y
forma de la partícula
9 Influencia del tipo de ensayo
ENERGÍA DE DEFORMACIÓN:
La deformación es un proceso termodinámico en el que la energía
interna del cuerpo acumula energía potencial elástica. A partir de unos
ciertos valores de la deformación se pueden producir transformaciones
del material y parte de la energía se disipa en forma de plastificado,
endurecimiento, fractura o fatiga del material.
GALGAS EXTENSIOMÉTRICA:
Una galga extensiométrica es un sensor basado en el efecto
piezorresistivo. Un esfuerzo que deforma a la galga producirá una
variación en su resistencia eléctrica. Inventado por los ingenieros Edward
E. Simmons y Arthur C. Ruge en 1938.
En su forma más común, consiste en un estampado de una lámina
metálica fijada a una base flexible y aislante. La galga se adhiere al
objeto cuya deformación se quiere estudiar mediante un adhesivo, como
58
el cianoacrilato. Según se deforma el objeto, también lo hace la lámina,
provocando así una variación en su resistencia eléctrica.
Los materiales que suelen utilizarse para fabricar galgas
son aleaciones metálicas, como por ejemplo constatán, nicrom o
elementos semiconductores como por ejemplo el silicio y el germanio. Es
por ello que podemos clasificar las galgas en dos tipos: las metálicas y
las semiconductoras.
GALGAS METÁLICAS:
Las galgas metálicas se constituyen por una base muy delgada y
fina, a la cual se le adhiere un hilo muy fino metálico, puede ser bobinado
o plegable, al final las 2 terminales en las que acaba el hilo se une a
los transductores. Estas galgas tienen como ventaja un bajo coeficiente
de temperatura, ya que se compensa la disminución de la movilidad de
los electrones al aumentar la temperatura con el aumento de su
concentración. En las galgas metálicas la corriente máxima es de unos
25 MA si el soporte es buen conductor de calor, y 5mA en el caso
contrario; de todas formas en las galgas metálicas hay una gran
limitación en la corriente. Las principales características de las galgas
metálicas en condiciones habituales establecen que su tamaño tiene una
variación entre 0.4mm y 150mm, tienen una resistencia variable entre
120Ω y 5000Ω y su tolerancia a la resistencia está en el rango de 0.1% y
0.2%.Las principales aleaciones que usan las galgas metálicas son:
Cobre y hierro
Platina y silicialista
Constantán
Nicrom o Karma
Isoelastic
59
Aleación de platino
Aleaciones de Níckel-Cromo
Nitróxido de Titán
GALGAS SEMICONDUCTORAS:
En las galgas semiconductoras hay un elemento semiconductor en
vez del hilo metálico, su gran diferencia respecto a las demás galgas, es
su tamaño, ya que su tamaño es más reducido. la potencia máxima
disipable en galgas semiconductoras es de unos 250 mW. Las galgas
semiconductoras son capaces de soportar una alta resistencia su fatiga
de vida es más larga y tiene menorhistéresis, que es la capacidad de que
el material conserve sus propiedades bajo diferentes estímulos.
Existen ciertos aspectos característicos bajo condiciones normales de
las galgas semiconductoras, su tamaño varias entre los 1mm y 5mm, su
resistencia esta aproximadamente entre un rango de 1000Ω a 5000Ω y
su tolerancia a la resistencia esta entre 1% y 2%.
2.7 LIMITACIONES:
El esfuerzo aplicado no debe llevar a la galga fuera del margen
elástico
Se necesita una buena adhesión al objeto, para que la medida de la
deformación sea correcta.
Un incremento en la temperatura tiene como consecuencia una
variación de la resistencia aún sin aplicar ningún esfuerzo.
Coeficiente de dilatación de la galga parecido al del soporte para
evitar tensiones mecánicas.
Autocalentamiento de la galga por la disipación de potencia de
alimentación.
60
2.8 VENTAJAS:
Pequeño tamaño
Pueden ser alimentadas con corriente continua o corriente alterna
Tienen una excelente respuesta en frecuencia
Pueden utilizarse para medidas estáticas y dinámicas
Compensación de temperatura relativamente fácil
No son influidas por los campos magnéticos
61
TEMA Nº33.1 ENSAYOS DE TORSIÒN:
El ensayo de torsión
consiste en aplicar un par
torsor a una probeta por
medio de un dispositivo de
carga y medir el ángulo de
torsión resultante en el
extremo de la probeta. Este
ensayo se realiza en el
rango de comportamiento
linealmente elástico del material.
Una barra sujeta en un extremo y sometida en el otro a un
par T (=Fd) aplicado en un plano perpendicular al eje. Se dice que esa
barra está sometida a torsión. El ensayo de torsión es un mecanismo en
que se deforma una muestra aplicándole un par torsor.
La deformación plástica alcanzable con este tipo de ensayos es mucho
mayor que en los de tracción (estricción) o en los de compresión
(abarrilamiento, aumento de sección).
Los efectos de la aplicación de una carga de torsión a una
barra son: producir un desplazamiento angular de la sección de un
extremo respecto al otro y originar tensiones cortantes en cualquier
sección de la barra perpendicular a su eje.
62
A veces, a lo largo de un eje actúan una serie de pares. En
este caso, es conveniente introducir un nuevo concepto, el momento
torsor, que se define para cada sección de la barra, como la suma
algebraica de los momentos de los pares aplicados, situados a un lado
de la sección considerada. Naturalmente, la elección de lado es arbitraria
en cada caso.
3.2 ENSAYO DE MATERIALES:
Se denomina ensayo de materiales a toda prueba cuyo fin es
determinar las propiedades mecánicas de un material.
Los ensayos de materiales pueden ser de dos tipos, ensayos
destructivos y ensayos no destructivos. Estos últimos permiten realizar la
inspección sin perjudicar el posterior empleo del producto, por lo que
permiten inspeccionar la totalidad de la producción si fuera necesario.
3.3 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS:
Entre los ensayos no destructivos más comunes se encuentran
los siguientes:
Ensayo de dureza (en algunos casos no se considera como ensayo
no destructivo, especialmente cuando puede comprometer la resistencia
de la pieza a cargas estáticas o a fatiga)
Inspección visual, microscopía y análisis de acabado superficial
Ensayos por líquidos penetrantes
Inspección por partículas magnéticas
Ensayos radiológicos
Ensayo por ultrasonidos
Ensayos por corrientes inducidas
63
Ensayos de fugas: detección acústica, detectores específicos de
gases, cromatógrafos, detección de flujo, espectrometría de
masas, manómetros, ensayos de burbujas, etc.
3.4 ENSAYOS DESTRUCTIVOS:
Son pruebas que se les hacen a algunos materiales como el acero por
ejemplo. Algunas de ellas son ensayo de tensión, flexión, compresión,
etc. Se les llama destructivos porque deforman al material. Entre los
ensayos destructivos más comunes se encuentran los siguientes:
Ensayo de tracción
Ensayo de compresión
Ensayo de cizallamiento
Ensayo de flexión
Ensayo de torsión
Ensayo de resiliencia
Ensayo de fatiga de materiales
Ensayo de fluencia en caliente (creep)
Otros ensayos para aplicaciones específicas son:
Ensayo de plegado
Ensayo de embutición
Ensayo de abocardado
Prueba hidrostática (con presiones mayores a las de servicio).
Flexión alternativa de alambres
64
3.5 OBJETIVOS:
- Obtener el módulo de rigidez del material ensayado.
Conocer el funcionamiento y manejo de la máquina para ensayo de
torsión.
- Utilizar adecuadamente el extensómetro y el vernier.
- Estudiar las características de la fractura por torsión
en materiales dúctiles y frágiles.
- Determinar la relación entre momento torsor y deformación angular
para los materiales ensayados.
- Comparar los resultados obtenidos de los materiales ensayados.
3.6 RESUMEN:
La torsión se refiere al torcimiento de un miembro estructural cuando
se carga con momentos que producen rotación alrededor de su eje
longitudinal. Los pares que producen dicho torcimiento se denominan
momentos torsión antes, pares de torsión o torques.
Analicemos un eje circular unido a un soporte fijo en un extremo (a). Si
se aplica un torque T en el otro extremo, el eje queda sometido a torsión
y su extremo libre rota un ángulo f llamado ángulo de torsión (b).
Dentro de ciertos límites, el ángulo f es proporcional a T. También f es
proporcional a la longitud L del eje. En otras palabras, el ángulo de
65
torsión para un eje del mismo material y la misma sección, pero de
longitud doble, se duplicará bajo el mismo torque T. Uno de los
propósitos de este análisis será encontrar la relación entre f, L y T; otro
será la distribución de esfuerzos cortantes en el eje.
Debemos anotar una propiedad importante que poseen los ejes
circulares. Cuando se somete a torsión un eje circular, toda sección
transversal permanece plana. En otras palabras, mientras las diferentes
secciones transversales a lo largo del eje rotan diferentes cantidades,
cada sección lo hace como una losa rígida. Esto se ilustra:
El hecho de que las secciones de un eje circular permanezcan planas
se debe a su simetría axial, es decir, su apariencia es igual cuando se le
observa desde una posición fija y se le rota un ángulo arbitrario respecto
a su eje.
Las deducciones de este análisis y las siguientes estarán basadas en
ejes de extremo rígidos. Las condiciones de carga encontradas en la
práctica pueden diferir bastante de las correspondientes al modelo de la
figura. El mérito principal de este modelo es ayudar a definir un problema
de torsión para el cual puede obtenerse una solución exacta. En virtud
del principio de Saint-Venant los resultados obtenidos a partir de nuestro
modelo idealizado pueden extenderse a la mayor parte de las
66
aplicaciones de Ingeniería. Sin embargo, se deben mantener en nuestra
mente estos resultados, asociados con el modelo específico de la figura.
Ahora determinaremos la distribución de deformaciones cortantes en
un eje circular de longitud L y radio c que se ha sometido a torsión en un
ángulo f (a).
Extrayendo del eje un cilindro de radio r , considérese el pequeño
elemento cuadrado formado por dos círculos adyacentes y dos rectas
adyacentes trazadas en la superficie antes de aplicar cualquier carga (b).
Como se somete el eje a un torque, el elemento se transforma en un
rombo (c). Ahora, la deformación cortante en un elemento dado se
mide por el cambio en los ángulos formados por los lados del elemento.
Como los círculos que definen dos de los lados del elemento considerado
aquí permanecen constantes, la deformación cortante debe ser igual al
ángulo entre la líneas AB y A’B.
En la figura (c) se observa que,
para valores pequeños de , puede
expresarse la longitud de arco AA’ como
AA’= L . Pero, por otra parte, AA’= r f , ó
Donde r y f están expresados en radianes.
La ecuación obtenida muestra que la
deformación cortante en un punto dado de un eje sometido a torsión es
proporcional al ángulo de torsión f. También muestra que g es
proporcional a la distancia r desde el eje hasta el punto considerado. Así,
la deformación cortante en un eje circular varía linealmente con la
distancia al centro del eje.
67
Se sigue de la ecuación anterior que la deformación cortante es máxima
en la superficie del eje, donde r =c. Se tiene entonces,
De donde,
Consideremos ahora un caso en que el torque T es tal que todos los
esfuerzos cortantes permanecen por debajo del límite de fluencia t y; se
sabe, que para todos los propósitos prácticos, esto significa que los
esfuerzos en el eje permanecerán por debajo del límite de
proporcionalidad y del límite elástico. Así que se aplicará la ley de Hooke
y no habrá deformaciones permanentes.
Recordando la ley de Hooke tenemos:
Donde G es el módulo de rigidez o módulo cortante del material.
La figura 8.4a muestra la distribución de esfuerzos en un eje circular
sólido de radio c, y la figura 8.4b en un eje hueco circular de radio interno
c1 y exterior c2.
68
Recordemos que la suma de los momentos de las fuerzas elementales
en cualquier sección transversal del eje debe igualar a la magnitud T del
torque ejercido sobre el eje:
De donde,
Despejando t máx:
Sustituyendo t máx se expresa el esfuerzo cortante a cualquier distancia
r del eje, como:
Recuérdese que el momento polar de inercia de un círculo de radio c es:
3.7 PROBETAS PARA LOS ENSAYOS DE TORSIÓN:
El ensayo de torsión consiste en someter una probeta de sección
redonda a un momento torsión gradualmente creciente hasta que se
produzca la falla en la misma.
El
ensayo se realiza en una máquina especial, diseñada con este propósito.
69
El momento de torsión se aplica a la probeta por medio de una rueda
helicoidal-tornillo sinfín con relación de transmisión pequeña. El giro de la
probeta desvía al péndulo de su posición vertical, haciendo así un
momento que se equilibra con el aplicado.
El desplazamiento del péndulo, proporcional al momento de torsión,
se transmite a través de una cremallera y piñón a un índice que señala
directamente sobre un cuadrante graduado el valor del momento en kg-
m. Por medio de esta prueba pueden determinarse la resistencia a la
torsión, el límite de fluencia y el módulo de rigidez, propios de cada
material.
3.8 EQUIPO Y MATERIAL:
Máquina para ensayo de corte por torsión.
Calibrador.
70
Llaves Allen.
Probetas de diversos materiales.
3.9 TORSIOMETRO:
71
El torsiómetro es una figura de precisión para medir directamente en
la probeta, el ángulo de torsión de la misma. Este se monta sobre la
sección cilíndrica de la probeta (1) y primero se fija la pieza (6) mediante
su tornillo (2) Las piezas (3), (4) y (5), forman un conjunto que se coloca
después de haber situado el separador (7). Este separador permite tener
entre puntas de los tornillos (2) una distancia de exactamente 50 mm. La
tuerca (3), permite fijar el brazo (4) contra la pieza (5). El apriete contra el
separador. Debe permitir el deslizamiento de las partes. La pieza (6)
tiene un brazo donde se monta al comparador (8), cuyo palpador hace
contacto con la pieza (4), para medir el desplazamiento relativo entre las
dos secciones de apoyo entre puntos. Cuando se tiene fijo el torsiometro
en la probeta y esta se sujeta a esfuerzo, se presenta un giro entre las
secciones coincidentes con los ejes de los tornillos (2) y este giro se
transmite por la pieza (4) hasta el vástago del comparador que registrara
en su carátula una cierta magnitud en centésimos de milímetros.
72
Las maquinas realizan la medida y la valoración de los a siguientes
parámetros:
Fuerza de apriete inicial de la unión atornillada
1. Par de apriete total
2. Par de aflojado total
3. Par de rozamiento bajo la cabeza del tornillo
4. Par de rozamiento de la rosca
5. Ángulo
6. Dilatación
3.10 BALANZAS DE TORSIÓN:
Las balanzas de torsión, están construidas para calcular las fuerzas
eléctricas, magnéticas o gravitatorias muy pequeñas a partir del ángulo
que forma un brazo al girar, antes de que la resistencia ejercida por
la fuerza de torsión detenga su movimiento. Fue diseñada originalmente
por el geólogo británico John Michelle, y mejorada por el químico y físico
de la misma nacionalidad Henry Cavendish. El instrumento fue inventado
de forma independiente por el físico francés Charles de Coulomb, que lo
empleó para medir la atracción eléctrica y magnética.
Una balanza de torsión está formada por dos esferas pequeñas, que
suelen tener una masa del orden de 1 g y van unidas a los extremos de
una varilla horizontal suspendida por su centro de un alambre fino o, en
los experimentos más recientes, de una fibra de cuarzo. Si, por ejemplo,
se colocan dos esferas grandes de plomo junto a las esferas de la
balanza, pero en lados opuestos, las esferas de la balanza se verán
atraídas por las esferas grandes y el alambre o la fibra experimentarán
una torsión. El grado de torsión se mide a través del movimiento de un
73
rayo de luz reflejado por la varilla sobre una escala. Esto permite hallar la
fuerza gravitacional entre las dos masas.
3.11 PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR EL ENSAYO:
a) Antes de comenzar a realizar los ensayos de torsión se deben
tomar las respectivas medidas dimensionales de las probetas (diámetro y
longitud de la sección reducida). Este procedimiento de medición es
efectuado con un gran cuidado y debe implementarse la correcta
utilización del Calibrador (instrumento de medición de vital importancia
para tomar el valor de nuestros datos.
74
b) Trazar una línea recta con un marcador permanente de punta
delgada a lo largo de la sección cilíndrica en la sección reducida, este
con el fin de poder visualizar de manera más fácil la deformación de la
probeta de torsión.
c) Fijar la probeta a las copas de la maquina de torsión, asegurarse
que la probeta quede bien sujeta y así no tener problemas de
deslizamientos de la misma.
75
d) Calibrar el tacómetro de revoluciones a cero y el medidor de
torque, seleccionando en este último las unidades del sistema
internacional (N-m).
e) Para la toma de datos tenemos que realizar una tabla en la cual se
registra el valor del Torque (útil para calcular el esfuerzo cortante) ha
cierto intervalo de revoluciones (útil para calcular la deformación
angular), para efectos de simplicidad a la hora de registrar los datos es
opcional tomar los datos de esta manera:
De 10 en 10 hasta 200 revoluciones.
De 25 en 25 hasta 400 revoluciones.
De 50 en 50 hasta 1200 revoluciones.
De 100 en 100 hasta 2000 revoluciones.
De 200 en 200 hasta 4000 revoluciones.
De 500 en 500 hasta la fractura.
76
f) Girar lentamente la perilla para aumentar gradualmente el toque de
manera que se pueda tomar los datos desacuerdo a la tabla anterior. Se
puede aumentar la velocidad a medida que el torque se vaya
estabilizando de forma gradual, pero no se puede disminuir la velocidad
durante la prueba pues esto afecta la misma generando errores.
g) Finalmente cuando en el ensayo se produzca fractura en la probeta
(se reconoce porque el torque disminuye bruscamente y se observa la
falla en la probeta) se retoma la perilla que controla la velocidad y el
torque a la posición de apagado, retiramos la probeta de las copas de
sujeción y con eso damos fin a la toma de datos.
3.12 TEORÍA INGENIERIL DE TORSIÓN DE EJES Y TUBOS DE
PAREDES DELGADAS:
- Torsión de un eje de sección circular: Sea un eje de sección
circular de radio R y longitud L sometida a un momento torsor T como
se muestra en la figura:
77
- Tubos de paredes delgadas: Como en el caso de un tubo largo
de paredes delgadas de sección con forma arbitraria, como se muestra
en la figura:
A diferencia de la sección circular considerada anteriormente, la
sección ahora considerada puede alabearse. Asumimos no obstante que
no habiendo restricción para este alabeo, no hay generación de
tensiones de tracción o compresión en la dirección longitudinal. Aislando
un elemento de volumen, dado que el espesor es pequeño, puede
considerarse razonablemente que las tensiones tangenciales son
constantes en el espesor y que adoptan la dirección tangente a la línea
media del contorno, como se muestra en la figura.
- Tensiones de torsión para grandes deformaciones: Superando
el límite elástico del material, las tensiones de corte en el eje no son más
proporcionales a la distancia al centro del mismo.
3.13 ENSAYO DE TRACCIÓN VS. ENSAYO DE TORSIÓN:
Resulta útil efectuar una comparación entre el ensayo de tracción y el de
torsión. La Fig. 6.7 muestra esquemáticamente las tensiones actuantes
en un eje sometido a torsión. Es fácil verificar que en general será
78
Las dos últimas relaciones de la columna de la derecha de (6.16)
son particularmente útiles porque en conjunción con la (6.14) nos
permiten determinar la curva de flujo plástico tensión efectiva-
deformación efectiva de un material a partir de un ensayo de torsión.
En un eje sometido a torsión, las máximas tensiones de corte se
producen en el plano normal al eje y la máxima tensión de tracción en un
plano a 45º del mismo. Por tal motivo, un material dúctil fallará en torsión
presentando una superficie de fractura como se muestra en la Fig. 6.7(a).
En cambio, un material frágil lo hará como se indica en la Fig. 6.7(b), ya
79
que en tal caso serán las máximas tensiones de tracción las que
producirán la falla.
La Fig. 6.8 representa la tensión de corte máxima vs. la tensión
normal máxima en un ensayo de tracción y en un ensayo de torsión. La
comparación nos muestra que τMáx. En torsión es el doble que en
tracción para un mismo valor de σMáx.
Dado que en primera aproximación puede considerarse que la rotura por
deformación plástica se produce al alcanzarse un valor crítico de
τMáx. Y que la fractura frágil se produce al alcanzarse un valor crítico de
σMáx. ,las posibilidades de ruptura dúctil son mayores en torsión que en
tracción. Por esta razón en un ensayo de torsión es más probable
alcanzar la tensión crítica de corte antes que la tensión crítica normal,
mientras que en un ensayo de tracción es más probable alcanzar la
tensión crítica normal antes que la crítica de corte.
TEMA Nº 44.1 ENSAYOS DE FLEXIÓN:
El ensayo de Flexión se utiliza para determinar la resistencia de
un material mediante la aplicación de la fuerza hasta el punto de tensión
máxima y ver cómo reacciona bajo presión. Normalmente, el ensayo de
80
plegado mide la ductilidad, la capacidad de un material para cambiar de
forma bajo presión y mantener esa forma permanentemente.
En algunos casos, el ensayo de flexión puede determinar la
resistencia a la tracción. Cuando se utiliza la prueba de flexión para este
fin, los probadores examinan que parte del material se rompe primero
para ver qué tipo de fuerza tiene el material. También les permite saber
qué tipo de presión es capaz de aguantar.
La Ductilidad describe hasta que punto un material, generalmente de
metal, se puede estirar y mantener su nueva forma. El acero, por
ejemplo, es muy dúctil. Si se aplica presión éste se extiende en una
nueva forma, que se mantendrá incluso después de que la presión se
haya eliminado. Esta característica se conoce como ductilidad y es una
característica deseable para los metales y otros materiales de
construcción.
Para determinar cómo de dúctil es un material se utilizan en los
laboratorios los ensayos de flexión. La fuerza en cantidades ascendentes
se aplica a una pieza del material a un ángulo específico y durante una
cantidad específica de tiempo. El material es entonces torsionado hacia
un determinado diámetro gracias al uso de la fuerza. Después de que la
prueba de flexión haya terminado, el material se examina para ver hasta
qué punto es capaz de mantener su forma una vez se elimina la presión,
y si está o no el material agrietado cuando la presión se aplica.
Esta prueba también puede determinar la resistencia a la tracción. El
examen se puede utilizar con los materiales más frágiles para probar su
resistencia. Estos materiales frágiles, aquellos que no pueden aguantar
bien en una prueba normal para la resistencia a la tracción, son usados
81
en una prueba de flexión. Este ensayo se aplica de la misma manera que
los habituales, doblando el material mientras se aplica la fuerza, y
entonces los resultados son examinados. Si el material tiene grietas en la
parte doblada, demuestra que el material soporta mejor la compresión
que la tensión.
La soldadura es una zona donde el ensayo de plegado es usado muy
a menudo. Se utiliza una prueba de doble guía para determinar qué
fuerte es una soldadura después de haber sido creada. Una máquina de
ensayo especial se utiliza para realizar la prueba de flexión guiada. El
material debe ser capaz de doblarse hasta un ángulo específico, tal como
180 grados, por ejemplo, sin ningún tipo de grietas que se aprecien. Si
esto sucede, la soldadura ha pasado la prueba y el material puede ser
usado sin problemas en su destino, bien sea la construcción, la industria
naval o siderúrgica.
El estrés de flexión es una forma de estrés que se observa cuando las
cargas se aplican perpendicularmente a un objeto, lo que obliga a desviar
la carga. El grado de curvatura que un objeto es capaz de tolerar antes
de que se produzca una deformación permanente varía, dependiendo de
los materiales de construcción, tamaño y otras variables. Probar los
productos para determinar sus tolerancias a la tensión de flexión es una
parte importante de las pruebas de seguridad, especialmente para cosas
tales como elementos que son utilizados en la construcción, donde la
deformación bajo tensión puede conducir a colapsos estructurales y de
consecuencias fatales.
Muchos tipos de objetos se ensayan con este tipo de procedimiento,
siendo un ejemplo simple los armarios. Los armarios típicamente tienen
82
una o más barras de apoyo en cada extremo. Cuando estas barras son
cargados con ropa, bastidores de zapatos y otras pertenencias, pueden
desviarse bajo el peso de la carga. Una barra sólida colgando se
recuperará en su posición cuando se retira la carga. Finalmente, la carga
puede llegar a ser tan alta que la varilla está permanentemente doblada o
que aparezcan grietas de presión como resultado de la tensión de
flexión. Los ensayos de flexión ayudan a determinar cuanta carga y qué
tipos de materiales son los adecuados para usar en la fabricación de
productos como los armarios y que vemos a diario en nuestra vida
cotidiana.
4.2 COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES SOMETIDOS A LA
FLEXIÓN:
Si las fuerzas actúan sobre una pieza de material de tal manera
que tiendan a inducir esfuerzos compresivos sobre una parte de una
sección transversal de la pieza y los esfuerzos tensivos sobre la parte
restante, se dice que la pieza está en flexión. La ilustración común de la
83
acción flexionante es una viga afectada por cargas transversales; la
flexión puede también causarse por momentos o pares tales como, por
ejemplo, los que pueden resultar de cargas excéntricas paralelas al eje
longitudinal de una pieza. Las estructuras y máquinas en servicio, la
flexión puede ir acompañada del esfuerzo directo, el corte transversal, o
el corte por torsión. Por conveniencia, sin embargo, los esfuerzos
flexionantes pueden considerarse separadamente y en los ensayos para
determinar el comportamiento de los materiales en flexión; la a tensión
usualmente se limita a las vigas.
4.3 FALLA POR FLEXIÓN:
La falla puede ocurrir en las vigas debido a una de varias causas,
de las cuales se ofrece una lista a continuación. Aunque estos modos de
falla se exponen primariamente con referencia a las vigas de material
dúctil, en sus aspectos generales son aplicables a cualquier material.
La viga puede fallar por cedencia de las fibras extremas. Cuando el
punto de cedencia es alcanzado en las fibras extremas, la deflexión de la
viga aumenta más rápidamente con respecto a un incremento de carga; y
si la viga tiene una sección gruesa y fuerte o está firmemente empotrada
de tal modo que no pueda torcerse o flambearse, la falla se verifica con
un pandeo gradual que finalmente se torna tan grande que la utilidad de
la viga como miembro sustentante queda destruida.
En una viga de largo claro, las fibras en compresión actúan de
manera similar a aquellas en compresión de una columna, y la falla
puede tener lugar por flambeo. El flambeo, el cual generalmente ocurre
en dirección lateral, puede deberse ya sea a la causa primaria o
secundaria de la falla. En una viga en la cual el esfuerzo flexionante
84
excesivo sea la causa primaria de la falla y en la cual la viga no esté
firmemente sostenida contra el flambeo lateral, el sobreesfuerzo puede
ser rápidamente seguido por el colapso de la viga debido al flambeo
lateral, ya que la estabilidad lateral de la viga es considerablemente
disminuida si sus fibras extremas son esforzadas hasta el punto de
cedencia. El flambeo lateral puede ser una causa primaria de la falla de
la viga, caso en el cual el esfuerzo en las fibras no alcanza la resistencia
hasta el punto de cedencia del material antes de que el flambeo ocurra.
El flambeo frecuentemente limita la resistencia de las vigas angostas.
La falla de los miembros de alma delgada, como una vigueta,
puede ocurrir debido a los esfuerzos excesivos en el alma o por el
flambeo del alma bajo los esfuerzos compresivos diagonales que
siempre acompañan a los esfuerzos cortantes. Si el esfuerzo cortante en
el alma alcanza un valor tan alto como en de la resistencia has el punto
de cedencia del material en corte, la falla de la viga puede esperarse y la
manera de la falla probablemente derivará de alguna acción de flambeo o
torsión secundaria. El esfuerzo compresivo ordinario que siempre
acompaña al cortante puede alcanzar un valor tan alto que el flambeo del
alma de la viga constituya una causa primaria de la falla. El peligro de la
falla en el alma como una causa primaria de la falla de la viga existente,
en general, solamente para las vigas cortas con alma delgada.
En aquellas partes de vigas adyacentes a los datos de apoyo que
transmiten las cargas concéntricas o las reacciones las vigas, pueden
establecer esfuerzos compresivos altos, y en las vigas I o canales el
esfuerzo local en aquella parte del alma más cercana a un lado de apoyo
puede tornarse excesivo. Si este esfuerzo local excede la resistencia
contra el punto de cedencia del material en la unión del alma y el patín, la
85
viga puede fallar primariamente debido a la cedencia de la parte sobre-
fatigada.
La falla de las vigas de material quebradizo como el hierro fundido
y el concreto simple siempre ocurre por ruptura súbita. Sin embargo
cuando simple siempre ocurre por ruptura súbita. Sin embargo cuando se
acerca al momento de la falla, el eje neutro se desplaza hacia el canto en
la compresión y tiende así a reforzar la viga, la falla finalmente ocurre en
las fibras tensadas porque la resistencia a la tensión de estos materiales
es únicamente una fracción de la resistencia y a la compresión es de
aproximadamente 25% para el hierro fundido y 10% para el concreto.
4.4 APARATOS PARA ENSAYOS DE FLEXIÓN:
Los principales requerimientos de los bloques de apoyo y carga para
ensayos de vigas son los siguientes:
Deben tener una forma tal que permita el uso de un claro de largo
definido y conocido.
Las áreas de contacto con el material bajo ensayo deben ser tales
que las concentraciones de esfuerzo indebidamente altas (las cuales
pueden causar aplastamiento localizado alrededor de las áreas de
apoyo) no ocurran.
Debe haber margen para el ajuste longitudinal de la posición de los
apoyos de modo que la restricción longitudinal no pueda desarrollarse a
medida que la carga progrese.
86
Debe haber margen para algún ajuste lateral rotativo para
acomodar las vigas que estén ligeramente torcidas de uno al otro
extremo, de modo que no se inducirán esfuerzos (cargas) torsionantes.
El arreglo de las partes debe ser estable bajo carga.
4.5 CONDICIONES DE ENSAYOS:
El ensayo de flexión en metales se realiza en aquellos frágiles y
muy especialmente en las fundiciones en las que, si bien no resulta el
que define mejor sus propiedades mecánicas, se justifica teniendo en
cuenta que las mismas se encuentran sometidas, en muchos de sus
usos, a esfuerzos similares, pudiendo reemplazar en esos casos al
ensayo primario de tracción.
El valor de las flechas en los ensayos de verificación, suele ser
un requisito a satisfacer indicándose, de acuerdo al empleo del
material una máxima o mínima según que se desee su
comportamiento como “flexible” o frágil.
4.6 ENSAYO DE FLEXIÓN LAS PROBETAS EN ESTUDIO:
Máquina universal de ensayo MTS.
Dimensiones de las probetas: (según norma DIN 50110)
Di = 13 mm
L = 300 mm
Luz entre apoyos = 260 mm
Diámetro de los rodillos de carga y apoyo = 25,4 mm (1”)
87
Tensión a la flexión ( sF) = Momento flector(Mf) / Módulo
Resistente(Wz)
El valor del módulo resistente para ambas probetas:
Determinaciones para acero SAE 1015
Pp = 23 mm x Esc. de carga = 23 mm x 5,4 Kgf/mm = 124,2
Kgf
MFp (Momento flector al límite elástico):
sFp = Tensión de flexión al límite proporcional
fe (flecha al límite elástico) = 16 mm . Escala de flecha
fe = 16mm. 0,146 mm/mm = 2,336 mm
Observación :debido a que el material no rompe sometido a flexión
(el ensayo se transforma en plegado) se suspendió el ensayo con
una flecha = 34,31 mm en plena deformación plástica. En ese
instante la carga era 156,6 kgf.
Determinaciones para acero SAE 1045
88
Pp = 30,2 mm x Esc. de carga = 30,2 mm x 5,4
Kgf/mm = 163,08 Kgf
MFp (Momento flector al límite elástico)
sFp = Tensión de flexión al límite proporcional:
fe (flecha al límite elástico) fe = 25mm . 0,146 mm/mm = 3,65 mm
Observación:
Sucede lo mismo que en el caso anterior. Al suspender el ensayo
para una flecha de 34,31 mm (igual que el caso anterior) la carga fue
igual de 270 Kgf.
El siguiente es el diagrama de los dos ensayos de flexión, como
vemos en él, el acero SAE 1045 presenta el límite a deformaciones
elásticas a una carga mayor y también al suspender el ensayo se
nota claramente que a igual deformación, o sea flecha, la carga es
más elevada que el del SAE 1015.
89
Probeta sometida a flexión
4.7 PRÁCTICA DE UN ENSAYO REALIZADO:
4.8 OBJETIVOS DEL ENSAYO:
Los objetivos de los ensayos de flexión son principalmente dos:
- Determinar una curva carga-desplazamiento del prototipo
90
- Determinar la distribución de deformaciones y de tensiones en la tela al
estar solicitado el elemento a flexión.
El primero de los dos objetivos es más sencillo de conseguir, ya
que simplemente se basa en someter a uno de los prototipos realizados
a un ensayo de flexión y medir la flecha. En cambio, el segundo de los
objetivos es más complicado, ya que para determinar el campo de
deformaciones se han de poner bandas extensiométricas en la tela. La
dificultad radica en la colocación de las bandas extensiométricas y en la
interpretación de los resultados.
Aunque se podrían haber realizado las mediciones de
deformaciones sobre la tela y la medición de la flecha del prototipo en el
mismo ensayo, se realizan independientemente.
4.9 ENSAYO PARA DETERMINAR LA CURVA CARGA-
DESPLAZAMIENTO:
DESCRIPCIÓN:
El prototipo utilizado se corresponde con el prototipo nº4 explicado en el
apartado 3.2.4.
Recordemos que este prototipo está formado por dos materiales
diferentes. El material interior es una cámara de aire de caucho cuyo
objetivo es proporcionar la estanqueidad.
El segundo material, capa exterior, es la tela precontrait 702
utilizada en los prototipos para los ensayos de rotura. Dicho material es
el encargado de soportar las tensiones que se producen debido a la
presión interior y a las fuerzas que se aplican durante el ensayo.
Las dimensiones del prototipo final son:
Longitud, L =130 cm
Diámetro, D =13.5 cm
91
Espesor tela, e = 0.54 mm
4.10 DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO:
Se han utilizado dos sistemas de aplicación de carga. En el primer
sistema se aplica la carga mediante una prensa hidráulica, en cambio, el
segundo sistema utiliza una prensa manual. El mayor inconveniente de la
prensa hidráulica es la mala precisión para el nivel de carga que
queremos aplicar, ya que está pensada para materiales como el acero o
el hormigón donde el nivel de carga a aplicar es mucho mayor que el
necesario para el prototipo que deseamos ensayar. Por este motivo se
decide descartar esta opción y realizar los ensayos con un procedimiento
de aplicación de carga manual, mucho más preciso para niveles de
cargas comprendidos entre 500 y 1000 N.
El montaje de la
instalación para la
realización del ensayo
(Figura 59) es el
siguiente:
- Como soporte se utiliza
un pórtico metálico.
En la Figura 56, delante
del pórtico, se observa
el equipo informático utilizado.
- En la parte inferior del dintel del pórtico se atornilla el elemento con el
que se ejercerá la fuerza de compresión. La fuerza se modifica dando
vueltas a una manivela. En la parte inferior se coloca un captador de
fuerza cuya misión es enviar los datos de la fuerza de compresión al
ordenador.
92
- Para medir el desplazamiento vertical del prototipo se coloca un
captador de desplazamiento del tipo LVDT en el centro de luz del
prototipo (Figura 58).
Los datos registrados por los captadores de fuerza y de
desplazamiento permiten realizar una curva fuerza-desplazamiento.
En la parte superior del cilindro, en la zona de aplicación de la carga, se
coloca un trozo de PVC. La misión del PVC es evitar la aplicación de
una carga puntual y repartirla en una zona de 25 cm. (Figura 59).
93
El ensayo se realiza sobre una barra biapoyada. En la figura 60 puede
observarse el detalle del apoyo de uno de los extremos del prototipo.
Se realizan dos ensayos con el mismo prototipo, pero con una presión
interior distinta. Las presiones interiores utilizadas son 100 kN/m2 y 200
kN/m2.En la fotografía 61 se observa el prototipo en un estado
intermedio del ensayo. La flecha es aproximadamente de 2,5 cm y la
fuerza es igual 300 N.
94
El ensayo con el prototipo de presión interior de 100 kN/m2 se detiene
cuando la flecha alcanza el valor aproximado de 7 cm. La fuerza
máxima alcanzada es de 520 N.
El ensayo con presión interior de 200 kN/m2 se detiene cuando la flecha
es aproximadamente de 8 cm, correspondiéndose con una fuerza de
740 N. Los ensayos se paran cuando los desplazamientos medidos
varían de manera considerable al aplicar un incremento de carga
pequeño.
En la fotografía 62 se observa el estado final del prototipo
deformado.
ANÁLISIS
DE LOS RESULTADOS
A continuación se presenta la curva fuerza-desplazamiento
correspondiente al ensayo realizado con una presión interior de 100
kN/m2.
95
De los resultados obtenidos puede observase que la ley no es
lineal. Se diferencian dos tramos. Una primera zona con un valor límite
de 45 mm de desplazamiento con una inclinación de la curva es
bastante constante, entre 45º y 55º. A partir de este punto la curva se
hace mucho más tendida, de manera que, en esta segunda zona, los
desplazamientos crecen mucho más rápido que en la primera zona para
un incremento de carga dado. El máximo desplazamiento medido es de
70 mm correspondiéndole una carga de 520 N. Podemos modelizar el
comportamiento asimilándolo a un comportamiento plástico perfecto,
diferenciando un primer tramo lineal hasta los 45 mm donde se alcanza
la carga última a partir de la cual el material comienza a "fluir".
Puede decirse que frente a flexión el prototipo ensayado tiene un
comportamiento dúctil y antes de producirse la rotura se produce una
deformación muy significativa. Este hecho hace pensar que el
dimensionamiento a flexión de este tipo de estructura está dominado
por el dimensionamiento en deformación. A pesar de no haber realizado
un control estricto, se ha observado que gran parte de la deformación
96
del elemento ensayado es recuperable cuando deja de aplicarse la
carga.
Aceptando como válidas las hipótesis de Resistencia de Materiales
descritas en el libro de M. Cervera y E. Blanco podemos encontrar un
valor de la rigidez teórica del elemento utilizando la ecuación de la
flecha (y) para una viga biapoyada de longitud (l) con una carga
repartida (p) centrada de longitud (c).
Se repite el ensayo para una presión interior de 200 kN/m2. Se
observa que la ley tiene prácticamente la misma forma que en el caso
de la presión interior de 100 kN/m2. (Ver figura 65).
97
Los escalones que se producen a los 580 N y 640 N coinciden con los
instantes en que se dejó de aplicar carga.
El máximo desplazamiento de 78 mm se obtiene para con una carga de
740 N.
De manera análoga al caso anterior, podemos asimilar el
comportamiento real a flexión del prototipo ensayado con un modelo
plástico perfecto y determinar un valor de rigidez
(EI)* Teórica.
GLOSARIO
98
- Elemento a flexión: Pieza sometida a fuerzas transversales, que
le causan una flexión.
- Límite de fluencia: Fatiga a partir de la cual un cuerpo sufre una
deformación continua sin por ello aumentar dicha fatiga. También
llamado punto de relajamiento.
- Ensayo alterno de flexión: Ensayo consistente en doblar en 90
grados, en direcciones opuestas, una probeta rectangular fijada a un
extremo.
- Flexión lateral: Pandeo lateral que se produce en un elemento,
que no es lo suficientemente rígido, al ser sometido a fuerzas laterales.
- Resistencia a la flexión: Medida de la resistencia de un elemento
o miembro estructural a las fuerzas flectoras. También llamada
resistencia a la tracción.
- Estricción: es la reducción de la sección que se produce en la
zona de la rotura.
- Material: en ingeniería un material es una sustancia (elemento o,
más comúnmente, compuesto químico) con alguna propiedad útil, sea
mecánica, eléctrica, óptica, térmica o magnética.
- Fuerza: es toda acción que tiende a producir o produce un
cambio en el estado de reposo o movimiento de un cuerpo.
- Deformación: es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo
debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas
sobre el mismo o la ocurrencia de dilatación térmica.
- Dureza: es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones
como la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las
deformaciones permanentes; entre otras. También puede definirse como
la cantidad de energía que absorbe un material ante un esfuerzo antes
de romperse o deformarse.
99
- Galga: unidad de longitud para medir grosores en materiales muy
finos.
- Momento de una fuerza (torque): se denomina momento de una
fuerza (respecto a un punto dado) a una magnitud (pseudo) vectorial,
obtenida como producto vectorial del vector de posición del punto de
aplicación de la fuerza con respecto al punto al cual se toma el momento
por la fuerza, en ese orden.
- Modulo elástico: Es un tipo de constante elástica que relaciona
una medida relacionada con la tensión y una medida relacionada con la
deformación.
- Deformación elástica: es el cambio en la forma que sufre un
cuerpo bajo carga, el cual se comprime esta última.
- Deformación plástica: Es el cambio de forma que sufre un cuerpo
bajo carga, el cual no se elimina al suprimir la carga que lo origina,
obteniéndose una deformación permanente.
- Esfuerzo:Es la relación interna de los materiales cuando son some
tidos a cargas. Generalmente se expresa en intensidad de fuerza, es
decir la fuerza por unidad de área.
- Resistencia de proporcionalidad: Es el fenómeno que
presentan los materiales, a ser sometidos a cargas en el que las
deformaciones unitarias proporcionales a los esfuerzos que lo producen.
(Ley de Hooke).
- Zona elástica: Es el área comprendida en un diagrama esfuerzo –
deformación unitaria, por el trazo de la curva desde cero hasta el límite
de elasticidad y por el valor de la abscisa, o sea la deformación
correspondiente al límite elástico.
- Zona plástica: Es el área comprendida en un diagrama esfuerzo-
deformación unitaria, por el trazo de la curva desde el límite elástico
100
hasta el punto de ruptura y por el tramo de la abscisa comprendida desde
el valor del límite elástico y el valor correspondiente al punto de ruptura.
- Módulo de Young: e designa usualmente por . Está asociado
directamente con los cambios de longitud que experimenta un cable, un
alambre, una varilla, etc. cuando está sometido a la acción
de tensiones de tracción o de compresión. Por esa razón se le llama
también módulo elástico longitudinal.
- Compresión: es la resultante de las tensiones o presiones que
existe dentro de un sólido deformable o medio continuo, caracterizada
porque tiende a una reducción de volumen del cuerpo, y a un
acortamiento del cuerpo en determinada dirección.
- Diagrama: es un tipo de esquema de información que representa
datos numéricos tabulados.
- Ductibilidad: es una propiedad que presentan algunos materiales,
como las aleaciones metálicas o materiales asfálticos, los cuales bajo la
acción de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin
romperse, permitiendo obtener alambres o hilos de dicho material.
101
CONCLUSIÓNLos ensayos mecánicos son muy utilizados en nuestros días para
determinar una serie de comportamiento, características, propiedades
mecánicas de los materiales bien sea acero, madera, concreto, pvc,
entre otros; para tener un conocimiento de que material se puede usar y
que no al momento de hacer una construcción o algún diseño de
elemento de máquina, a la vez nos sirve de herramienta para verificar las
especificaciones de aceptación o rechazo.
Según cada tipo de ensayo podemos obtener distintas
informaciones de los materiales; por ejemplo en el ensayo de tensión
puede determinarse la tenacidad, la deformación unitaria de rotura, la
tensión máxima y el módulo de rigidez. El ensayo normal a la tensión se
emplea para obtener varias características resistencias que son útiles en
el diseño.
Existen organismos como la ASTM (American Society for Testing
and Materials) en Estados Unidos, o el ICONTEC en Colombia, se
encargan de estandarizar las pruebas; es decir, ponerles límites dentro
de los cuales es significativo realizarlas, ya que los resultados dependen
de la forma y el tamaño de las muestras, la velocidad de aplicación de las
cargas, la temperatura y de otras variables.
La selección de los materiales se hace en función de las
exigencias que se planteen para un determinado uso; materiales muy
aptos para una aplicación pueden ser completamente inútiles para otra.
Dependiendo del tipo de aplicación, presentarán más importancia
unas propiedades que otras, y entre las propiedades a considerar figuran
102
las mecánicas, químicas, térmicas, eléctricas y ópticas. Entre las
propiedades mecánicas hay algunas cuya característica es de
importancia fundamental, mientras que otras responden a acciones
(comportamiento frente a acciones) muy específicas que aparecen en
casos muy concretos. En cualquier caso es necesario poseer un
método por el cual podamos presumir en avance qué materiales podrían
servir para el uso que estamos buscando y cuáles no.
Por último, un ingeniero mecánico sin conocimiento de todos éstos
tipos de ensayos, como se procede a evaluar un material, como
identificar materiales, realizar ensayos destructivos y no destructivos,
definiciones básicas, entre otros; no es un ingeniero completo.
103
BIBLIOGRAFÍAGUIAS
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Dpto. de Ingeniería mecánica y Naval.
Universidad de buenos Aires (2001)
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LIBROS
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James M. Gere. Edición: sexta.
Editorial: Thomson.
“Mecánica de Materiales”
Autores: Ferdinand P. Beer, E. Russell Johnston, Jr., John T. DeWolf y David F.
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D.F.)Año de edición: 2010, Quinta Edición.
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