Ensayo de materiales

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Ensayo por líquidos penetrantes:
1. Corte de un material que presenta una grieta.
2. La superficie del material se cubre con penetrante.
3. Se elimina el exceso de penetrante.
4. Se aplica el revelador, volviéndose visible el defecto.

Se denomina ensayo de materiales a toda prueba cuyo fin es determinar las propiedades mecánicas de un material.

Todas las casas, todos los automóviles, como cualquier estructura o maquinaria están constituidos por diferentes materiales, elegidos por sus propiedades para poder ser utilizados en una determinada aplicación. El diseño de la forma y de las secciones se debe realizar con criterios económicos, es decir, se debe emplear la menor cantidad posible de material, pero también se debe cumplir una serie de especificaciones de seguridad para evitar que se produzcan fallos mecánicos.

Es de suma importancia por tanto el conocimiento de las propiedades de los materiales para realizar un diseño adecuado. Para la determinación de las propiedades existen una serie de ensayos normalizados. Particularmente en España, el organismo normalizado es Aenor, y las normas que dictan llevan el nombre de Una Norma Española (UNE)

Índice

Tipos de ensayos[editar]

Los materiales suelen someterse a una variedad de ensayos para conocer sus propiedades. De esta manera se intenta simular las condiciones a las que van a estar expuestas cuando entren en servicio.

Otros ensayos para aplicaciones específicas son:

Según la rigurosidad del ensayo[editar]

Ensayos científicos[editar]

Se obtienen resultados referentes a los valores numéricos de ciertas magnitudes físicas. Permiten obtener valores precisos y reproducibles de las propiedades ensayadas, pues las condiciones a las que se somete el material se encuentran normalizadas. Un ejemplo de este ensayo es el ensayo de tracción, del que se obtiene la resistencia a la tracción, y se expresa en kp/mm²

Ensayos tecnológicos[editar]

Se utilizan para comprobar si las propiedades de un material o pieza son adecuadas para cierta utilidad o si dichas propiedades son las que se presuponen. Un ejemplo de este ensayo son las pruebas de caída, los de maleabilidad para un material de forja o las de flexión alternativa en alambres, en la que se cuenta el número de veces que una pieza de alambre se puede doblar alternativamente sin que se rompa.

Según la naturaleza del ensayo[editar]

Ensayos químicos[editar]

Permiten conocer la composición cualitativa y cuantitativa del material, la naturaleza del enlace químico y la estabilidad del material en presencia de líquidos o gases corrosivos.

Ensayos físicos[editar]

Se cuantifican la densidad, el punto de ebullición, el punto de fusión, la conductividad eléctrica, la conductividad térmica, etc.

Ensayos mecánicos[editar]

Se determina la resistencia del material mediante su sometimiento a distintos esfuerzos. Varios ejemplos de estos ensayos son los ensayos de tracción, dureza, choque, fatiga o ensayos tecnológicos.

Ensayos mecanográficos[editar]

Consisten en analizar la estructura interna del material mediante un microscopio.

Según la utilidad de la pieza después de ser sometida al ensayo[editar]

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.

Ensayos no destructivos[editar]

Se analizan las grietas y defectos internos de una pieza, sin tener en cuenta las propiedades del material y sin dañar su estructura. Varios ejemplos de estos ensayos son los análisis de rayos X y los análisis por ultrasonidos. Estrictamente estos métodos no pertenecen a ensayos de materiales, ya que únicamente se analizan los defectos en una pieza concreta, aunque por otra parte existen ensayos cuya inclusión resulta dudosa, como el ensayo de estanqueidad en tubos, porque se desconoce si se deteriora o no la estructura del material.

Entre los ensayos no destructivos se encuentran los siguientes:

Ensayos destructivos[editar]

Se produce la rotura o daño sustancial en la estructura del material. Varios ejemplos de estos ensayos son los ensayos mecánicos de tracción o dureza, los ensayos físicos, como la determinación de los puntos de fusión y ebullición, el ensayo químico frente a corrosión, el ensayo de tensión, flexión, compresión, etc.

Según la velocidad de aplicación de las fuerzas[editar]

Ensayos estáticos[editar]

La velocidad de aplicación de las fuerzas al material no influyen en el resultado del ensayo. En el ensayo de tracción, por ejemplo, la velocidad de aplicación de la fuerza se mantiene por debajo de cierto límite para que el ensayo sea estático.

Ensayos dinámicos[editar]

La velocidad de aplicación de las fuerzas juega un papel decisivo. Un ejemplo de este ensayo es el ensayo de flexión por choque.

Ensayo de tracción[editar]

El ensayo de tracción está considerado como uno de los más importantes para la determinación de las propiedades mecánicas de cualquier material. Los datos obtenidos se pueden utilizar para comparar materiales entre sí y para saber si una pieza de cierto material podrá soportar determinadas condiciones de carga. En el campo del estudio de la resistencia de materiales, se denomina carga a la fuerza aplicada a los materiales. Estas fuerzas se denominan fuerzas normales (son perpendiculares a la superficie) de tracción y compresión.

El ensayo de tracción consiste en someter una pieza cilíndrica o prismática (probeta) de dimensiones normalizadas a una fuerza normal de tracción que crece con el tiempo de una forma lenta y contínua, para que no influya en el ensayo, el cual, por lo general, finaliza con la rotura de la probeta.

Durante el ensayo se mide el alargamiento que experimenta la probeta (ΔL) al estar sometida a la fuerza de tracción (F). De esta forma se puede obtener un diagrama fuerza-alargamiento, aunque para que el resultado dependa lo menos posible de las dimensiones de la probeta y que resulten comparables los ensayos realizados con probetas de diferentes tamaños, se utiliza el diagrama tensión-deformación:

  • Tensión (σ): Fuerza aplicada a la probeta por unidad de sección. Si la sección inicial es S0, la tensión viene dada por:

donde σ se mide en Pascales en el SI.

    • Carácter vectorial de la tensión: La tensión es una magnitud vectorial de la misma dirección y sentido que la fuerza aplicada a la superficie del material, aunque en el ensayo de tracción solamente interesa su módulo. La tensión se puede descomponer en un vector perpendicular a la superficie, tensión normal, y otro vector que es la proyección sobre la superficie, denominada tensión tangencial o cortante.
  • Deformación o alargamiento unitario en un instante del ensayo (): Cociente entre el alargamiento (ΔL) experimentado y su longitud inicial (L0):

La deformación es una magnitud que puede expresarse en tanto por ciento:

Diagrama tensión-deformación[editar]

Diagrama tensión-deformación típico de un metal, obtenido en un ensayo de tracción.

En el diagrama tensión-deformación se pueden apreciar dos zonas:

  • Zona elástica (O-2): La deformación experimentada por la probeta no es permanente. Si en cualquier punto entre O y 2 se detiene el ensayo, la probeta recuperará su longitud inicial.
  • Zona plástica (2-4): Los alargamientos son permanentes. Si el ensayo se detiene en el punto 3, la probeta recupera la deformación elástica () persistiendo al final de una deformación remanente o plástica ().

Dentro de la zona elástica se distinguen:

  • Zona proporcional: Existe una relación de proporcionalidad entre la tensión y la deformación experimentada por la probeta.

siendo E el módulo de Young o módulo de elasticidad longitudinal, medido en N/m².

  • Zona no proporcional: Las deformaciones no son permanentes. Si se detiene el ensayo y se deja de aplicar una fuerza a la probeta, recupera su longitud inicial. No existe una relación de proporcionalidad entre la tensión y la deformación.

Dentro de la zona plástica se distinguen:

  • Zona de deformación plástica uniforme: La curva se hace más tendida, no es necesario un incremento de carga elevado para conseguir grandes alargamientos. La fuerza máxima dividida entre la sección inicial de la probeta determina la resistencia a la tracción (), punto en el que finaliza la zona plástica de deformación uniforme.
  • Zona de estricción o de deformación plástica localizada: La deformación se localiza en una determinada zona de la probeta, la tensión disminuye y la probeta termina por romper dicha zona.

Si se reinicia el ensayo, la curva de tracción coincidirá con la curva de descarga, y la zona elástica se hace mayor. Con ésto se consigue un endurecimiento por deformación.

Forma y dimensiones de la probeta[editar]

Probeta normalizada.

Las probetas utilizadas en el ensayo de tracción tienen una sección transversal circular o rectangular. La parte central debe estar mecanizada para que su sección sea constante. Si el material es frágil, será preciso pulir la superficie.

Sobre la parte calibrada se marca la longitud inicial () de la probeta. La longitud de la parte calibrada debe estar comprendida entre y si las probetas son cilíndricas. Si las probetas son rectangulares o cuadradas la longitud comprenderá entre y .

En los extremos de la probeta la sección aumenta para facilitar su sujeción a las mordazas de la máquina de tracción. Estas zonas reciben el nombre de cabezas. Para evitar zonas en las que se concentren las tensiones, la sección de la probeta varía desde la parte calibrada a la cabeza de una forma suave y gradual.

Para que los ensayos con probetas de diferentes dimensiones sean comparables, es preciso que se mantenga constante.

Resultados del ensayo[editar]

  • Límite de proporcionalidad (): Tensión a partir de la cual las deformaciones dejan de ser proporcionales a las tensiones.
  • Límite de elasticidad ( y ): Tensión a partir de la cual las deformaciones dejan de ser reversibles. Su valor es muy próximo al límite de proporcionalidad. Resulta difícil de medir ya que es preciso aplicar una tensión a la probeta y retirarla posteriormente para comprobar si ha recuperado o no la longitud inicial.

Si la probeta recupera su longitud inicial, el límite de elasticidad será superior a la tensión aplicada, y se debe continuar el ensayo con tensiones mayores. Si la probeta muestra una deformación permanente, la tensión será superior al límite de elasticidad. Una vez deformada, la probeta queda inservible y se deberá continuar acotando inferior y superiormente al límite de elasticidad utilizando otras probetas.

Para solventar estas dificultades se utilizan dos tensiones:

Interpolación
La línea azul representa la interpolación lineal entre los puntos rojos.
Interpolación lineal de una variable independiente.
  • Límite de deformación permanente (): Tensión que provoca una deformación permanente igual a un determinado porcentaje de la longitud inicial. Generalmente el porcentaje es del 0,2%, indicándose mediante . Para determinar esta tensión se somete a la probeta a cargas crecientes que se mantienen durante 10 segundos y posteriormente se eliminan, midiéndose la deformación permanente. El valor se obtiene por interpolación.

La interpolación es una práctica habitual cuando se disponen de varias parejas de datos (xi, yi) y se quiere determinar la ordenada y0, que corresponde a una determinada abscisa (x0).

La interpolación lineal considera que la ordenada varía de forma lineal entre cada dos parejas de puntos. Si se tienen la pareja de datos (1,2), (3,4) y (4,5), y se quiere conocer la ordenada que corresponde a x0 = 2,5, se toman las dos primeras parejas de puntos y se considera la recta que pasa por ellos. La ordenada buscada (y0 = 3,5) será la que corresponda a x0.

  • Límite de pérdida de proporcionalidad (): Tensión que provoca un alargamiento no proporcional igual a un determinado porcentaje de la longitud inicial. Generalmente el porcentaje es el 0,2%, indicándose mediante . Para obtener este valor es preciso considerar la intersección entre la curva de tracción y la recta paralela a la zona proporcional de la curva que corta al eje de abscisas por el porcentaje fijado.
  • Módulo de Young (E): Relación entre la tensión y la deformación en la zona de comportamiento proporcional.
  • Resistencia a la tracción (): Máxima tensión que soporta la probeta durante el ensayo
  • Resistencia a la rotura (): Tensión soportada por la probeta en el momento de la rotura. Siempre que la probeta no sufra estricción, su valor es próximo al de la resistencia a la tracción. Una vez superada la resistencia a la tracción, la probeta se considera rota.
  • Alargamiento de rotura (A): Mayor alargamiento plástico alcanzado por la probeta. Se mide en tanto por ciento.

siendo la longitud de la probeta después del ensayo.

  • Estricción de rotura (Z): Disminución de sección que se produce después de la rotura. Se mide en tanto por ciento.

siendo la sección más pequeña de la probeta.

Si las probetas son rectangulares, el cálculo de las estricciones de rotura, la sección se expresa mediante:

siendo a' y b' las dimensiones.

  • Trabajo de deformación: Área bajo la curva fuerza-alargamiento, que se calcula mediante y representa el trabajo que es necesario desarrollar para conseguir la rotura de la probeta y la capacidad que tiene el material para absorber trabajo. Particularmente en la industria automovilística resulta de suma importancia para conocer el comportamiento de las piezas de un vehículo frente a una colisión.

Curva de tracción verdadera[editar]

A medida que transcurre el ensayo, la sección de la probeta va disminuyendo paulatinamente, y la tensión que soporta es:

siendo S la sección de la probeta en cada instante, la cual alcanza su valor mínimo en la zona de estricción, y la tensión verdadera.

A medida que transcurre el ensayo, la longitud de la probeta se va incrementando paulatinamente, y la deformación se deberá medir respecto a la longitud que presenta en cada momento. La deformación vendrá dada por:

siendo L la longitud de la probeta en cada momento del ensayo y la deformación verdadera.

En muchos metales la tensión y la deformación verdaderas están ligadas por la relación de Hollomon: , donde K y n son constantes características del material.

Fluencia[editar]

Diagrama de la zona de fluencia del acero.

Muchos metales como los aceros en bajo contenido de carbono, no presenta una transición gradual entre las zonas de comportamiento elástico y plástico. Una vez superado el límite de la zona elástica, existe una zona de fluencia o cedencia, en la que la probeta experimenta una deformación plástica bajo una tensión fluctuante. La existencia de la fluencia se debe a la presencia de impurezas de nitrógeno.

En estos casos se definen dos tensiones:

  • Límite de fluencia superior (): Tensión medida en el primer máximo.
  • Límite de fluencia inferior (): Tensión más baja que soporta la probeta.

Tensión máxima de trabajo[editar]

Cuando se diseña un elemento de una estructura es preciso conocer todas las fuerzas que se ejercen en él, para calcular su sección de tal forma que se encuentre dentro de la zona de proporcionalidad entre su deformación y tensión. Así se asegura que la deformación sufrida por el material sea reversible y proporcional a la tensión soportada.

Realmente no se puede valorar con exactitud las fuerzas a las que va a estar sometida una pieza. En estos casos se actúa mayorando las fuerzas a las que se puede encontrar sometida la pieza y/o minorando la resistencia del material.

En el primer caso las fuerzas que actúan sobre el elemento se multiplican por un coeficiente de seguridad mayor que la unidad. En el segundo caso una tensión indicativa de la resistencia del material se divide por otro coeficiente de seguridad mayor que la unidad.

Máquinas de tracción[editar]

Máquina de tracción.

Las máquinas utilizadas en el ensayo de tracción constan de un dispositivo productor de carga, y otro dispositivo medidor de cargas y desplazamientos registrados. La máquina debe cumplir las siguientes características:

  • La aplicación de la fuerza de tracción tiene lugar en la dirección del eje de la probeta.
  • Debe ser posible regular la velocidad de aplicación de la carga. El proceso de descarga tiene que realizarse de forma progresiva.

El dispositivo productor de cargas puede ser mecánico y neumático, con un cabezal móvil y otro cabezal fijo.

El dispositivo medidor de cargas y desplazamientos funciona electrónicamente, y regulan la velocidad de aplicación de la carga y generan diagramas impresos de la curva de tracción.

Material Límite elástico (MN/m²) Carga de rotura (MN/m²)
Diamante 50.000
Alúmina 5.000
Carburo de titanio 4.000
Cobalto y aleaciones 180 - 2.000 500 - 2.500
Acero bajo contenido de carbono 500 - 1.960 680 - 2.400
Aleaciones de níquel 200 - 1600 400 - 2.000
Níquel 70 1.510
Titanio y aleaciones 180 - 1.320 300 - 1.400
Hierro dulce 220 - 1.030 400 - 1.200
Aleaciones de cobre 60 - 960 250 - 1.000
Cobre 60 400
Aleaciones de aluminio 100 - 627 300 - 700
Aluminio 40 200
Aleación de cinc 160 - 421 200 - 500
Hierro 50 200
Aleaciones de magnesio 80 - 300 125 - 380
GFRP 100 - 300
Oro 40 220
PMMA 60 - 110 110
Nailon 49 - 87 100
Poliestireno 34 - 70 40 - 70
Plata 55 300
Maderas comunes (fibras paralelas) 35 - 55
PVC 45 - 48
Polipropileno 19 - 36 33 - 36
Maderas comunes (fibras perpendiculares) 4 - 10

Ensayos de dureza[editar]

Por dureza se suele entender la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por una pieza de otro material distinto. La dureza depende de la elasticidad del material y de su estructura cristalina. Particularmente, en los metales puros la dureza aumenta proporcionalmente a la cohesión y número de átomos por unidad de volumen. En las aleaciones la dureza aumenta con los tratamientos térmicos o con el endurecimiento por deformación. La dureza está ligada al comportamiento de un material frente a la abrasión o desgaste y la facilidad con que puede ser sometido a mecanizado.

Ensayos de dureza al rayado[editar]

Escala de Mohs[editar]

Es el método más antiguo para medir la dureza, y aún se usa en Mineralogía. Fue establecido en 1820 por el alemán Friedrich Mohs.

En la escala de Mohs se compara el material que se pretende analizar con 10 minerales tomados como patrones, numerados del 1 al 10 en orden creciente de dureza.

Dureza Mineral Se raya con / raya a Composición química
1 Talco Se puede rayar fácilmente con la uña Mg3Si4O10(OH)2
2 Yeso Se puede rayar con la uña con más dificultad CaSO4·2H2O
3 Calcita Se puede rayar con una moneda de cobre CaCO3
4 Fluorita Se puede rayar con un cuchillo de acero CaF2
5 Apatito Se puede rayar difícilmente con un cuchillo Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)l
6 Ortosa Se puede rayar con una lija para el acero KAlSi3O8
7 Cuarzo Raya el vidrio SiO2
8 Topacio Rayado por herramientas de carburo de wolframio Al2SiO4(OH-,F-)2
9 Corindón Rayado por herramientas de carburo de silicio Al2O3
10 Diamante El material más duro en esta escala (rayado por otro diamante). C

Un material es rayado por los que tienen un número superior, y raya a los que poseen un número inferior.

Inconvenientes de la escala de Mohs[editar]

Es un método de medida bastante impreciso, y no puede utilizarse para medir la dureza de los metales. No es una escala lineal. La diferencia de dureza entre el corindón y el diamante es mayor que la existente entre el talco y el yeso.

Dureza Martens[editar]

En el ensayo de Martens se emplea un cono de diamante con el que se raya la superficie del material cuya dureza se quiere medir. La dureza en este ensayo es inverso de la anchura de la raya obtenida cuando se aprieta con una fuerza determinada y constante al cono de diamante contra la superficie del material. Se utiliza el valor inverso de la anchura de la raya para que a los materiales más duros les corresponda una dureza mayor.

Ensayos de dureza a la penetración[editar]

En estos ensayos se mide la resistencia de un material al ser penetrado por una pieza de otro material, denominado penetrador, el cual se empuja con una fuerza controlada y durante un tiempo fijo contra la superficie del material cuya dureza se desea calcular. La velocidad de aplicación de la carga debe ser lenta para que no ejerza influencia en la medida.

El valor de la dureza se obtiene dividiendo la fuerza aplicada al penetrador entre la superficie de la huella que deja en el material.

Ensayo Brinell[editar]

La bola penetra dejando una marca.

Fue ideado en los años 1900 por el ingeniero sueco Johann August Brinell. El penetrador es una esfera de acero templado, de gran dureza, que oscila entre 1 y 10 mm, a la que se le aplica una carga preestablecida de entre 3000 y 1.25 kp durante 15 segundos.

La dureza se calcula dividiendo el valor de la fuerza aplicada al penetrador entre la superficie de la huella que produce en el material.

donde HB es la dureza Brinell, y se mide en kp/mm²

La huella producida por el penetrador tiene la forma de un casquete esférico, cuya superficie será:

Del triángulo rectángulo se deduce que:

y, por tanto:

De este modo, la superficie del casquete esférico será:

y el valor de la dureza Brindell vendrá dado por:

Para medir el diámetro d de la huella se utiliza una lupa microscópica. Para que no se obtengan valores falsos en las mediciones, es necesario que la huella no presente realces ni rebajes en sus bordes. Para poder conseguirlo, el diámetro de la huella ha de cumplir la condición

  • Huella normal: El diámetro medido coincide con el diámetro efectivo de la huella.
  • Huella realizada: El diámetro medido es mayor que el diámetro de la huella normal.
  • Huella rebajada: El diámetro medido es menor que el diámetro de la huella normal.
Espesor de la pieza (mm) Diámetro de la bola (mm)
> 6 1; 2,5; 5; 10
3 - 6 1; 2,5; 5
2 - 3 1; 2,5
< 2 1

Para conseguir que la deformación plástica que experimenta el material no se extienda a todo el espesor de la pieza, el diámetro de la bola debe elegirse adecuadamente en función del espesor de la pieza sometida al ensayo.

K Material
30 Materiales férricos
10 Aleaciones ligeras
5 Bronce y latón
2,5 Metales blandos
1,25 Metales muy blandos
0,5 Metales extremadamente blandos

Para que las huellas obtenidas con bolas de diferente diámetro sean semejantes y las durezas resulten comparables, se debe cumplir:

donde K puede tomar distintos valores.

El tiempo de aplicación de la carga suele ser de 15 segundos, aunque si se trata de materiales blandos, el tiempo es mayor.

Material Resistencia a tracción (kp/mm²)
Acero al carbono 0,35HB
Acero al cromo-níquel 0,34HB
Aluminio fundido 0,25HB
Aleaciones ligeras de fundición 0,28HB
Cobre y aleaciones 0,55HB
Cinc 0,42HB

Mediante el ensayo Brinell y utilizando un coeficiente de proporcionalidad se puede calcular la resistencia a la tracción.

Incovenientes del ensayo Brinell[editar]
  • No se puede realizar sobre superficies esféricas o cilíndricas.
  • Cuando la deformación es pequeña se cometen grandes errores en la medida del diámetro de la huella.
  • Es aplicable en el caso de materiales de durezas no muy altas, inferiores a la del penetrador.
Expresión del valor de la dureza Brinell[editar]

La dureza Brinell se expresa:

250 HB 10 500 30

lo que significa que el material tiene 250 kp/mm² de dureza Brinell, el ensayo se ha realizado con una bola de diámetro 10 mm y una carga de 500 kp durante 30 segundos.

Ensayo Vickers[editar]

Penetrador para el ensayo Vickers.

Se utiliza como penetrador un diamante tallado en forma de pirámide cuadrangular con un ángulo de 136° entre dos caras opuestas. El ángulo coincide con el valor de del ensayo Brinell para la relación con el fin de que las durezas Brinell y Vickers coincidan.

La dureza Vickers se calcula dividiendo la fuerza con la que se aprieta el penetrador entre el área de la huella que deja.

La fuerza se expresa en kp, la superficie en mm² y la unidad de dureza Vickers (HV) en kp/mm²

La diagonal de la huella se mide utilizando un microscopio.

La huella en el material tendrá forma de pirámide y su superficie será igual a a de los cuatro triángulos que constituyen sus caras:

siendo h la altura de cada triángulo y a la longitud de la base.

La superficie de la huella valdrá:

Por tanto, la dureza Vickers será:

siendo d la diagonal de la base de la pirámide.

Si la carga no se aplica en dirección vertical, la forma de la huella no será cuadrada. En estos casos se mide las dos diagonales y se utiliza el valor medio de 1,8544.

Las cargas pueden variar de 1 a 120 kp, pero lo más frecuente son 30 kp. Para que no se produzcan deformaciones en la cara opuesta, es necesario que se cumpla lo siguiente:

, por lo que

siendo s el espesor de la pieza y hcosα la profundidad de la huella.

Se debe procurar que:

Ventajas del ensayo Vickers[editar]
Ejemplo de una prueba Vickers.
  • Es innecesario sustituir el penetrador al variar la carga.
  • Se puede utilizar en superficies curvas.
  • El valor de la dureza es independiente al valor de la carga.
  • La prueba se puede realizar sobre materiales muy duros.
Expresión del valor de la dureza de Vickers[editar]

La dureza Vickers se expresa de la siguiente forma:

315 HV 30

lo que significa que el material tiene 315 kp/mm² de dureza Vickers y el ensayo se ha realizado con una carga de 30 kp.

Ensayo Rockwell[editar]

Muestra del funcionamiento del ensayo Rockwell.

Debido a su rapidez de medidia y al pequeño tamaño de las huellas que ocasiona, es el ensayo más utilizado. Sin embargo, su exactitud es menor. Se mide la profundidad de la huella.

  • Para materiales entre 60 y 150 HV se utiliza un penetrador esférico de acero de 1,59 mm de diámetro. Así se obtiene la escala de dureza Rockwell B (HRB).
  • Para materiales entre 235 y 1075 HV se emplea un cono de diamante con un ángulo de 120° y redondeado en su punta con un casquete esférico de radio 0,2 mm. Así se obtiene la escala de dureza Rockwell C (HRC).
Durómetro, máquina usada en el ensayo Rockwell.

Los pasos del ensayo Rockwell son los siguientes:

  1. En ambas escalas se aplica inicialmente una precarga de 10 kp, con lo que el penetrador origina una huella de profundidad h1.
  2. Se aplica el resto de la carga al penetrador (90 kp en el caso de HRB y 140 kp en el caso de HRC), con lo que origina una huella de profundidad h2.
  3. Tras unos segundos, se reduce la carga hasta alcanzar el valor de la precarga. La profundidad de la huella2 será mayor que la de h1. La máquina del ensayo Rockwell mide la diferencia , y para expresar la dureza se emplea: y

Las máquinas de ensayo de dureza ofrecen la medida de e en múltiplos de 0,002 mm, y el máximo valor de e es el correspondiente a una profundidad de penetración de 0,2 mm.

Ensayos de resistencia al impacto[editar]

En estos ensayos las cargas actúan instantáneamente para medir la resistencia al choque o la tenacidad de los materiales.

Ensayo de tracción por choque[editar]

Una forma de medir la tenacidad de los materiales consiste en realizar un ensayo de tracción simple en el que la velocidad de aplicación de la fuerza sea alta. El área comprendida entre la curva de esfuerzos y el eje de abscisas representa el trabajo necesario para romper el material. El trabajo dividido por el volumen de la probeta utilizada proporciona una medida de su tenacidad al impacto.

Este tipo de ensayos es poco frecuente, ya que la preparación de las probetas resulta más cara.

Ensayo de flexión por choque[editar]

Péndulo de Charpy.

El mas utilizado es el ensayo de resiliencia, también conocido como ensayo Charpy. En este ensayo se dispone de una probeta de sección cuadrada de 10 x 10 mm y 55 mm de longitud, en cuya parte central se ha realizado previamente una entalla de 2 mm de profundidad en forma de U o V, con un fondo cilíndrico de 0,25 mm de radio.

El ensayo consiste en golpear la probeta por el lado opuesto a la entalla con un péndulo que se deja caer desde cierta altura.

La resiliencia se calcula dividiendo la energía consumida por el material en la rotura entre la sección de la probeta por su parte entallada (). Si la entalla tiene forma de U, se usará KCU, y si tiene forma de V se usará KCV.

o

La resiliencia se mide en J/m²

Los péndulos de Charpy están normalizados. En la posición inicial poseen una energía de 300 J, y en el momento del impacto de la probeta se mueven a una velocidad aproximada de 5 m/s.

Si la probeta no llega a romperse, el valor de la resiliencia no quedará definido. Si sucede ésto, debe de indicarse en los resultados obtenidos.

Ensayo de fatiga[editar]

La fatiga es la situación en la que se encuentran distintas piezas sometidas a cargas cíclicas cuya intensidad posee un valor inferior al crítico de rotura del material.

La amplitud de la tensión varía alrededor de un valor medio, el promedio de las tensiones máxima y mínima en cada ciclo:

El intervalo de tensiones es la diferencia entre tensión máxima y mínima

Existen dos tipos de fatiga:

  • Fatiga en elementos sin defectos: El comportamiento frente a la fatiga presentan la etapa de la nucleación de fisuras, y la etapa de crecimiento de las fisuras hasta alcanzar un tamaño crítico que originaría la rotura. Dos ejemplos de esta fatiga es el usado en bielas y ejes.
  • Fatiga en elementos con defectos: La duración del elemento está limitada por la velocidad de crecimiento de las fisuras. Es necesario realizar análisis periódicos no destructivos, como ultrasonidos y radiografías. Varios ejemplos de esta fatiga es la que se produce en puentes, barcos y aviones. Resulta imposible garantizar la ausencia de defectos, ya que estos elementos se fabrican uniendo varias piezas, y en las uniones es inevitable que existan fisuras.

Cuando una pieza se encuentra sometida a un proceso de fatiga, las grietas de pequeño tamaño aumentan progresivamente hasta que se produce la rotura.

En una rotura por fatiga se distinguen la el defecto inicial, la zona de crecimiento de la fisura por efecto del fenómeno de fatiga, y la zona de rotura final súbita.

El ensayo de fatiga más habitual es aquel que se somete una probeta a una flexión rotativa. La probeta se somete en su zona central a un esfuerzo de flexión constante producido por dos pesos. Mediante un motor eléctrico se hace girar la probeta, y experimenta un proceso cíclico, de tal forma que su parte superior, al girar media vuelta, el esfuerzo que actúa es de tracción. Como resultado se determina el número de ciclos capaz de soportar para distintas amplitudes de carga, antes de producirse la rotura.

Cuanto mayor es la amplitud del ciclo de la carga, menor es el número de ciclos antes de la rotura.

Curva S-N que representa el límite de fatiga.

Particularmente, en las aleaciones de titanio y en los aceros, existe un valor () por debajo del cual no se produce rotura por fatiga. A este valor se le denomina límite de fatiga, y suele oscilar entre 0,4 y 0,5 veces la carga de rotura del material. Generalmente las aleaciones no férreas no presentan este límite, y su valor se define como la amplitud de tensión que no provoca la rotura tras haber descrito cien o cien millones de ciclos.

La fatiga la cual no produce deformaciones plásticas en el material se rige por la fórmula:

siendo N el número de ciclos y a y b constantes del material.

En el diagrama de Goodman-Smith se pone de manifiesto que cuanto mayor sea el valor absoluto de la tensión media aplicada, menor será la amplitud de ciclo que podrá soportar el material. En este diagrama, en función de la tensión media, se representan las tensiones máxima y mínima que provocan la rotura del material en un número determinado de ciclos.

Cuando el valor de la tensión media coincide con la tensión de resistencia de tracción, cualquier amplitud de ciclo que se aplica al material, provocará inmediatamente su rotura.

Si la tensión media es cero, la amplitud del ciclo es máxima, y a medida que la tensión media vaya incrementando aproximándose al valor de la resistencia a la tracción, la amplitud del ciclo se reducirá.

A menor número de ciclos, la curva se ensanchará, y a mayor número de ciclos, la curva se estrechará.

En muchas ocasiones la curva de Goodman-Smith se aproxima a una recta. De esta forma, si es la amplitud de carga cuando la tensión media es nula para un número de ciclos N, y es la resistencia a la tracción, la amplitud de carga que ocasiona la rotura vendrá dada por:

Naturaleza probabilística de la fatiga[editar]

El fenómeno de la fatiga es de naturaleza estadística. Varias probetas idénticas sometidas a una misma carga cíclica pueden soportar distintos números de ciclos. Por esta razón se realizan varios ensayos en las mismas condiciones para conocer cuál es la distribución estadística que siguen los datos.

Por este motivo, al hablar de fatiga se alude a la probabilidad de que una probeta sometida a unas condiciones de carga alcance cierto número de ciclos sin romperse.

Ensayos tecnológicos[editar]

Se utilizan para comprobar si un material es útil para una aplicación cuando no ha sido posible realizar comprobaciones tras los ensayos realizados.

Permiten solamente determinar si el material es útil o inútil para un propósito. Se empezaron a utilizar desde el momento en el que se comenzó la obtención y transformación de materiales. Se pretende representar las condiciones que va a sufrir el material, y depende de la forma geométrica del mismo.

Ensayos tecnológicos en barras[editar]

  • Ensayo de flexión y plegado: Se pretende comprobar la flexibilidad del material. En este ensayo na barra prismática o cilíndrica normalizadas se somete a una fuerza que le hace doblarse, y finaliza cuando la barra alcanza el ángulo de curvatura previsto, o cuando en la parte de tracción se produzcan las primeras fisuras. Puede realizarse tanto a temperatura ambiente como a altas temperaturas.
  • Ensayo de reciclado: Se pretende comprobar el comportamiento del material bajo esfuerzos de compresión o de choque. Se utiliza una barra cilíndrica, de altura igual al doble de su diámetro, y se le aplica una fuerza de compresión hasta que la altura reduzca a 1/3 de la inicial o hasta que se produzcan las primeras fisuras.
Grado de recalcado
  • Ensayo de maleabilidad: En este ensayo se utilizan probetas planas de 40 cm de longitud y de espesor igual a 1/3 de la anchura. Con un martillo se golpea la probeta cuando alcanza la temperatura máxima, hasta que la anchura sea 3/2 de la anchura inicial o hasta que se produzcan las fisuras y determinar entonces el incremento de la anchura.
  • Ensayo de mandrilado: Se utiliza una probeta plana con una anchura cinco veces mayor que el espesor y un diámetro dos veces mayor que el espesor, y se perfora cilíndricamente. Por la perforación se introduce un punzón hasta que el diámetro sea el doble que el inicial o hasta que se produzcan las fisuras.
Grado de ensanchamiento

siendo d el diámetro inicial y d1 el diámetro dos veces mayor que el espesor.

Ensayos tecnológicos en chapas[editar]

  • Ensayo de flexión alternativa: Una chapa de 10 a 30 mm de ancho es sujetada entre dos mordazas y se dobla 90° alternativamente hasta que aparezcan las fisuras o se produzca la rotura.
  • Ensayo de embutición: Se emplea para conocer el comportamiento del material al someterlo a un proceso de embutición profunda. Consiste en estampar una bola o cilindro con un extremo esférico sobre una chapa sujeta por todos los lados.

Ensayos tecnológicos en tubos[editar]

  • Ensayo de ensanchamiento o abocardado: En el interior del tubo se introduce mediante golpes o a presión un cono engrasado.
Ensanchamiento
  • Ensayo de aplastamiento: Se realiza comprimiendo un trozo de tubo de 50 cm de largo entre dos placas paralelas para que la sección circular se convierta en otra de lados paralelos. Se introduce una pieza de sección rectangular para que las paredes del tubo no se aplasten por completo. Así se determina el punto al que puede llegar a comprimirse sin que aparezcan fisuras.
  • Ensayo de estanqueidad: En el interior de un tubo se introduce un fluido líquido a una presión entre 5/4 y 3/2 veces superior a la que tendrá que soportar el tubo.
  • Ensayo de recanteado o abocardado plano: Consiste en doblar el extremo de un tubo a una alta temperatura para que se forme un anillo perpendicular a su eje. Finaliza cuando el diámetro del anillo alcanza el valor previsto. Si no aparecen grietas, la prueba se ha realizado correctamente.

Ensayos tecnológicos en alambres[editar]

  • Ensayo de flexión alternativa: Se determina el comportamiento de un alambre bajo esfuerzos plásticos de flexión. El alambre se sujeta entre dos mordazas y se dobla 90° sobre unos cilindros alternativamente. Finaliza cuando se alcanza un número de ciclos determinado o cuando se produce la rotura del alambre.
  • Ensayo de retorcido: Consiste en determinar el grado de torsión de un alambre, midiendo el número de vueltas que se le pueden comunicar antes de que se produzca la rotura. Al alambre se le tracciona con una fuerza igual a 1% del valor de su carga de rotura para que se mantenga estirado, y se fija mediante dos cabezas de sujección. Una de las cabezas le comunicará el esfuerzo de torsión, y la otra cabeza tiene la posibilidad de desplazarse horizontalmente.

Ensayos no destructivos (control de defectos)[editar]

Los ensayos de control de defectos es el sometimiento de un producto manufacturado a una serie de pruebas y ensayos que garantizan la inexistencia de defectos. Pretende detectar las imperfecciones existentes en las piezas. A parte de realizar estas pruebas, el control ha de perpetuarse mientras estén en funcionamiento, para que éste sea seguro.

Actualmente los métodos más utilizados son:

  • Ensayos macroscópicos: Se utilizan líquidos penetrantes para localizar grietas, poros, etc.
  • Ensayos ópticos: Se suministra información acerca de grietas, poros, etc. mediante el microscopio,
  • Ensayos magnéticos: Se utilizan para detectar defectos de continuidad y el estado superficial.
  • Ensayos eléctricos: Se utilizan para detectar defectos en las vías de ferrocarril. Están basados en la variación de la resistencia eléctrica.
  • Ensayos con ultrasonidos de 105 a 107 kHz de frecuencia: Detectan defectos de continuidad en los materiales y la profundidad a la que se encuentran.
  • Ensayos con rayos x y ɣ: Se obtienen radiografías y gammagrafías de las piezas ensayadas, que ponen de manifiesto las irregularidades. Las rayos x se utilizan para espesores de hasta 10 cm, y los rayos ɣ para espesores de hasta 25 cm.

Enlaces externos[editar]

Bibliografía[editar]

  • Tecnología industrial II. España: Everest Sociedad Anónima. 2014. p. 440. ISBN 9788424190538. 

Referencias[editar]