ensayos propiedades de los materiales

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA

1.- Propiedades de los metales: Es el conjunto de características diferentes para cada material o grupo de materiales que ponen de manifiesto cualidades de éstos.

Propiedades Físicas: Son propiedades que no afectan a las estructuras y

Densidad: masa contenida por unidad de volumen de un cuerpo. ρ=m/V ; (kg/m3)

Punto de fusión: Tª a la que se produce el cambio de estado líquido-sólido. Tambiénse conoce el tipo de enlace. (ej: C(diam.)=3550ºC)

Calor específico (c): calor necesario para elevar 1gr. una ud. de masa. (cal/gr.; J/kg)

Dilatación (ΔL): variación geométrica con la Tª. K es coef. de dilatación de cada material.Puede ser lineal, superficial o cúbica. ΔL=L0·K·ΔT

Conductividad: facilidad para transmitir la electricidad y el calor. σ=1/ρ; (Ω·m)-1

Resistividad: inversa de la conductividad ρ=R·A/L ; (Ω·m)

Propiedades Químicas: Son propiedades que afectan a la estructura y composición de un material.

Oxidación: combinación del Oxígeno con el metal formando una fina capa. Protege: Actúa como barrera (ej: Al). No protege: se desprende (ej: Fe)

Corrosión: Cuando además del oxígeno hay agua de lluvia o atmósferas contaminantes.

Soluciones a la oxidación-corrosión: recubrimientos, aleaciones, pinturas...


Propiedades Mecánicas: Resistencia que ofrecen los materiales al ser sometidos a determinados esfuerzos exteriores:

Dureza: resistencia a ser penetrado o rayado con facilidad.

Elasticidad: capacidad para recuperar su forma original al cesar la carga.

Plasticidad: capacidad de adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura.

Tenacidad: capacidad de resistencia a la rotura por la acción de fuerzas exteriores.

Fragilidad: opuesta a la tenacidad. Es cuando un material se rompe fácilmente por la acción de un choque.

Cohesión: Es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse y depende del enlace de los átomos. (los átomos de los metales se pueden separar ligeramente)

Resistencia a la fatiga: resistencia a esfuerzos repetitivos

Resiliencia: energía absorbida en una rotura por impacto.

Propiedades Tecnológicas: Indican la mayor o menor disposición de un material para poder ser trabajado de determinada manera.

Ductilidad: capacidad para deformarse mediante esfuerzos de tracción sin romperse, transformándose en hilos. (Fe, Cu, Ni y Al).

Maleabilidad: capacidad para deformarse mediante esfuerzos de compresión sin romperse, transformándose en láminas.

Colabilidad: capacidad para llenar el made completamente. (Fundición, Bronce, latón y aleaciones ligeras).

Soldabilidad: aptitud de un material para soldarse con otro bajo presión y temperatura.

Maquinabilidad: facilidad para ser mecanizado o trabajado con herramientas cortantes arrancando pequeñas porciones llamadas virutas. (Fundición gris, bronce, aceros..)


2.- Clasificación y tipos de ensayos

Los ensayos de materiales tienen como objetivo poner de manifiesto, mediante un conjunto de métodos, en su mayoría normalizados, las propiedades de los materiales ensayados que en cada caso nos interesa conocer y cuya clasificación es la siguiente:

Los ensayos científicos se realizan para investigar las características técnicas de nuevos materiales.

Los técnicos están destinados a controlar la producción de forma que se satisfagan ciertas normas perfectamente definidas. Se efectúan durante el proceso de fabricación en los laboratorios de fábrica y deben ser rápidos, sencillos y exactos.

Ensayos destructivos, alteran la forma y presentación inicial del material experimentado. Los no destructivos no las alteran


3.- TIPOS DE DEFORMACIONES

Algunos materiales, cuando se someten a la aplicación de un esfuerzo durante un tiempo, quedan perfectamente deformados. Si al cesar la fuerza el material vuelve a sus dimensiones primitivas, se dice que ha experimentado una deformación elástica. La deformación elástica que todo material puede soportar es pequeña, puesto que los átomos son desplazados de sus posiciones originales mientras dura la deformación, pero no hasta el extremo de tomar nuevas posiciones, de tal manera que, cuando dejamos de aplicar la fuerza de deformación, vuelven a sus posiciones originales.

Si el material se deforma hasta el extremo de no poder recuperar por completo sus medidas originales, se dice que ha experimentado una deformación plástica.

3.1.-

A través de la realización de ensayos de tracción, se busca obtener los valores de resistencia de un material ante esfuerzos de tracción.

El esfuerzo sobre el material tiene como resultado una tensión en el material que se define como:


Donde: F es la fuerza de tracción aplicada sobre el material. Se mide en N, Kp... So es el área inicial sobre la que se aplica perpendicularmente la fuerza, F. es la tensión resultante en el material. Se mide en unidades de fuerza

dividido por unidad de superficie. (N/m2 ó Kp/cm”)

NOTA: La unidad en el sistema internacional es el N/m2 , denominado Pascal. Como esta unidad es muy pequeña, suele emplearse el MPa= 106 Pa

A consecuencia de este esfuerzo, el material se deforma longitudinalmente y sufre una deformación de valor:

Donde:= Alargamiento. Es adimensionall = variación de la longitud del material. Diferencia entre la longitud inicial y la final.Lo= longitud inicial de la pieza

3.1.1.-Ensayo de resistencia a la tracción

El ensayo de tracción es el más frecuentemente realizado en los materiales que se emplean par la construcción de máquinas, porque nos suministra las más importantes propiedades necesarias para formar juicio cobre el material.

Durante el ensayo la probeta provista de extremos con espaldilla de apoyo es colgada en la máquina de tracción y se va alargando paulatinamente, determinándose al mismo tiempo los esfuerzos que señala la máquina. La forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga máxima y luego de la ruptura se observa en el dibujo:


3.1.2.-Estudio de la tracción

Ninguna construcción debe estar sometida a cargas que sobrepasen el límite de elasticidad del material de cualquiera de sus partes, mas aún se debe permanecer por debajo de ese límite para contar con un margen de seguridad que permita afrontar cualquier contingencia imprevista.

* Probeta: - Son generalmente barras de sección regular (normalizadas), o se toma un

tramo del producto a ensayar, por ejemplo un trozo de varilla (industrial).- Sus extremidades son de mayor sección, para facilitar la fijación de la probeta a la maquina de tracción.- En las probetas se hacen dos marcas entre las cuales se mide la longitud l (puntos calibrados).

- Existen dos tipos de probetas:1. Cilíndricas para ensayos con materiales forjados, fundidos, barras, redondos

laminados y planchas de espesor grueso.2. Prismáticas o planas. En planchas de espesores muy pequeños.

3.1.3.-Realización del los Ensayos de Tracción.

Los ensayos de tracción, compresión y flexión pueden realizarse con una máquina Universal Amster o similar, cuyo émbolo produce tracciones, compresiones y flexiones a voluntad, aplicando las cargas deseadas a la probeta colocada y sujetada en la máquina por medio de mordazas adecuadas.

3.1.4.- ANÁLISIS DE UN DIAGRAMA DE TRACCIÓN


3.1.5.-APLICAIÓN DE LA LEY DE HOOKE AL ENSAYO DE TRACCIÓN

Los alargamientos unitarios (deformaciones) son proporcionales a las tensiones que los producen, siendo la constante de proporcionalidad el módulo elástico.

Matemáticamente resulta: E= /

Sustituyendo: = F/ S0 y = L / L0

En la primera expresión:

E= FL S0 L

Que es la ecuación fundamental de la tracción, que sólo es aplicable en la zona de proporcionalidad, ya que una vez rebasado dicho límite el comportamiento no es lineal.

3.1.6.- Tensiones máximas de trabajo.

En las aplicaciones tecnológicas, no es habitual utilizar los materiales al límite de sus propiedades, sino que se intenta que trabajen un cierto valor por debajo de los valores máximos para garantizar que no se romperán indebidamente.

Por eso, para los cálculos se utilizan los llamados coeficientes de seguridad, que permiten establecer los límites de trabajo de un componente en el punto deseado. Con su utilización, se reducen los esfuerzos máximos a los que se pretende que trabaje un material, con lo que habrá que aumentar sus dimensiones o seleccionar otro material con unas propiedades más adecuadas.

En general, para calcular las tensiones de trabajo de un material se realiza del siguiente modo:

Materiales dúctiles:

trabajo= fluencia / n

Materiales frágiles:

trabajo= última de tracción / n

donde n es el coeficiente de seguridad (normalizado)

4.- ENSAYOS DE COMPRESIÓN

Los ensayos de compresión son similares a los de tracción, pero las fuerzas aplicadas tienen sentido contrario.

En este caso, la sección transversal de la probeta aumenta, y todos los demás parámetros se calculan del mismo modo, teniendo en cuenta que las deformaciones se producirán en sentido contrario.

Los ensayos de compresión son típicos en cerámicos, cementos, ladrillos...etc, que son materiales que en condiciones de trabajo están sometidos a este tipo de esfuerzo y lo resisten bien.

5.- ENSAYOS DE DUREZA


Para conocer la dureza de un material, se utilizan unas pruebas que pueden ser de dos tipos: por rayado o por penetración. En ambos casos se trata de cuantificar esta propiedad mecánica en función de la facilidad que otro material tenga para dejar una huella cuando se aplica con una determinada carga o fuerza. La propiedad determinada se denomina cohesión.

La escala más conocida es la de MOHRS. Esta escala utiliza como indicador la facilidad con que un material raya a otro, pero presenta como inconveniente que sólo incluye algunos materiales y que no es fiable ni precisa desde un punto de vista técnico.

Escala de Mohrs1. Talco2. Sal Gema3. Calcita4. Fluorita5. Apatito6. Feldespato7. Cuarzo8. Topacio9. Corindón10. Diamante

Por ello, dicha escala sólo se utiliza como orientación en laboratorios muy sencillos.

Técnicamente los ensayos más utilizados son los siguientes:

ENSAYO DE DUREZA BRINELL

Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, contra el material a ensayar, por medio de una carga (F) y durante un tiempo determinado. Este sistema utiliza una esfera de 10 mm de diámetro que se aplica sobre la superficie del material con una carga entre 500kp y 3000kp (dependiendo del tipo de material), durante un tiempo determinado. Una vez transcurrido dicho tiempo, se mide el diámetro de la huella que ha dejado la esfera de acero en el material ensayado.

El valor de la dureza HB es el cociente entre la carga (F) aplicada en Kp y la superficie (S) de la huella en mm2.


Características del ensayo Brinell

- No es fiable en materiales muy duros y de poco espesor. Tiene limitaciones.- No es recomendable para valores mayores a 500 HB si la bola del penetrador no es de

carburo de wolframio.- Para el error de ensayo por deformación del material no sea muy grande, debe cumplirse:

D/4 < d < D/2- La carga a aplicar depende del material a probar y del cuadrado del diámetro de la bola:

F= K . D2 donde K es la constante de proporcionalidad dependiendo del material (siendo mayor para los materiales duros)

- el tiempo de aplicación de la carga depende del material que se ensaya oscilando entre 10 segundos y 3 minutos.

ENSAYO DE DUREZA VICKERS

Este ensayo deriva directamente del ensayo Brinell, pero sustituye el penetrador de bola por una punta piramidal de base cuadrada y ángulo en el vértice de 136º entre caras.

Características del ensayo VICKERS

- Las cargas aplicadas son más pequeñas que en método Brinell (oscilan entre 1 y 120 kp). La mas empleada es la de 30 kp.

- El tiempo de aplicación entre 10 y 30 segundos siendo 15 segundos el más empleado.- Se utiliza tanto para materiales duros como en blandos.- Puede medir dureza superficial por la poca profundidad de la huella.- La expresión de la dureza se indica por una expresión tipo: 520Hv 30/15 ( 520 número de

dureza VICKERS 30 kg de carga durante 15 segundos).

ENSAYO DE DUREZA ROCkWELL

Se diferencia de los anteriores en que la medida de la dureza se hace en función de la profundidad de la huella y no de su superficie. Consiste en hacer penetrar, en dos tiempos, en la capa superficial de la pieza un penetrador de forma prefijada y medir el aumento permanente de la profundidad de penetración.

La unidad se toma igual a 0,02 mm (dos micras), por lo que la dureza Rockwell viene expresada por un número que indica cuantas veces el aumento contiene a la unidad convencional de medida.


Características del ensayo

- para materiales blandos (HB<200) el penetrador es una bola de acero de diámetro = 1,5875 mm- para materiales duros (HB >200) es un cono de diamante de 120º en la punta.- Los valores de las cargas son:

Denominación penetradorCarga (kp)

Carga inicial Carga adicional totalROKWELL B Bola de acero 10 90 100ROKWELL C Cono de diamante 10 140 150

Realización de la prueba

La prueba consta de tres fases:1.Aplicación de la carga 10 kp para asentar el conjunto. Marca la huella h0

2.Aplicación de la carga adicional que origina la huella máxima3.Eliminar la carga adicional. Se produce una reacción elástica del material que eleva al penetrador una cierta cantidad quedando la huella permanente.

El número que se lee sobre la escala del equipo después de retirar la carga adicional marca la dureza rockwell correspondiente al valor de la profundidad de huella permanente “e”. Cada unidad e= 0.002 mm.

HRc =100 – e HRb= 130 – e


RESUMEN de ensayos de dureza

TIPO DE ENSAYO

IDENTADOR CARGA MEDICIÓN NÚMERO DE DUREZA

BRINELLEsfera de acero

templado de diámetro D

F durante un determinado

tiempo

Diámetro de la huella

ROCKWELL B

Bola de acero de diámetro d

Precarga 10 kp y carga

durante un tiempo

determinado

Obtención de e como

diferencia de penetradores

entre precarga y

carga

e = l0 – l

HRB = 130 – 500 . e

ROCKWELL C Cono diamante

Precarga 10 kp y carga

durante un tiempo

determinado

Obtención de e como

diferencia de penetradores

entre precarga y

carga

e = l0 – l

HRc = 100 – 500 .e

VICKERS Pirámide de base cuadrada

F durante un tiempo

determinado

Diagonal de la huella de d

6.- ENSAYO DINÁMICO POR CHOQUE. ENSAYO DE RESILIENCIA.

Permite determinar la energía absorbida en la rotura de una probeta normalizada producida por un golpe seco de un martillo en su caída. La propiedad que se mide es la resiliencia.

La máquina más utilizada en el ensayo de resiliencia es el péndulo de Charpy. Esta máquina consta de una base rígida con dos soportes verticales, unidos en la parte superior por eje horizontal, dicho eje lleva acoplado un brazo giratorio, en cuyo extremo va situado un martillo en forma de disco, el cual golpea la probeta y produce la rotura.

Otro tipo e prueba, es el método IZOD, cuya diferencia con la anterior es que la probeta está empotrada en un extremo cerca del cual se encuentra la muesca,

7.- ENSAYO DE FATIGA.Se produce cuando un material es sometido a esfuerzos idénticos que se repiten a lo largo del tiempo. El problema de la fatiga es que se produce sin avisar, es decir, sin que se hayan producido síntomas externos de fallo, por lo que es difícil o imposible predeterminar.Leyes fundamentales de la fatiga:1.Las piezas metálicas pueden romperse bajo esfuerzos unitarios inferiores a su carga de rotura, e incluso a su límite elástico, si el esfuerzo se repite un número suficiente de veces.

2.Para que la rotura no tenga lugar, con independencia del número de ciclos, es necesario que la diferencia entre la carga máxima y la mínima sea inferior a un determinado valor, llamado límite de fatiga. Ejemplos: correa de distribución en un coche, los ejes, los neumáticos..etc.


8.- OTROS ENSAYOS MECÁNICOS.

- Ensayo de flexión . (la fuerza intenta doblar la pieza, alargando unas fibras y acortando otras).

- Ensayo de torsión . (las fuerzas externas tienden a retorcer las piezas).- Ensayo de pandeo . (esfuerzo combinado de flexión y compresión sobre las piezas).- Ensayo de cizalladura o cortadura . (cuando actúan fuerzas contrarias y situadas en planos

contiguos de la pieza)

9.- ENSAYOS TECNOLÓGICOS

- Ensayo de la chispa. (permite por comparación con probetas patrón, conocer las características de composición de un acero, analizando el haz de chispas producidas por la acción de una muela de esmeril sobre la probeta).

- Ensayo de plegado. Permite analizar la maquinabilidad y ductilidad de los materiales.- Ensayo de embutición. Determina la idoneidad de un material para ser deformado en

profundidad.- Ensayo de forja. (condiciones de un material para ser trabajado plásticamente).

10.- ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS.

- Ensayos magnéticos.- Ensayos eléctricos- Ensayos por líquidos penetrantes.- Ensayos micrográficos- Ensayos macroscópicos- Ensayos de rayos X, gamma- Ensayos de ultrasonidos

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