Ensayo de materiales - profejoseantonio.wikispaces.com ENSAYOS... · Permite comparar las...
34
1 Ensayo de materiales
Transcript of Ensayo de materiales - profejoseantonio.wikispaces.com ENSAYOS... · Permite comparar las...
1
Ensayo de materiales
2
ÍNDICE
Tipos de ensayos ................................................................................................................................................................ 3
1) Ensayo de tracción ........................................................................................................................................................ 4
2) Ensayos de dureza ......................................................................................................................................................... 9
a) Ensayos de dureza al rayado .................................................................................................................... 10
b) Ensayos de dureza a la penetración ......................................................................................................... 11
b.1) Dureza Brinnell ................................................................................................................ 13
b.2) Dureza Vickers ................................................................................................................ 15
b.3) Dureza Rocwell ............................................................................................................... 16
3) Ensayos de resistencia al impacto ............................................................................................................................... 19
a) Ensayo de Charpy .................................................................................................................................... 20
b) Ensayo de tracción por choque ................................................................................................................ 21
4) Ensayo de fatiga .......................................................................................................................................................... 22
5) Ensayos tecnológicos destructivos ............................................................................................................................. 23
6) Ensayos no destructivos .............................................................................................................................................. 28
3
Tipos de ensayos Según la rigurosidad del ensayo:
Científicos:
Están normalizados Se obtienen valores numéricos de magnitudes físicas
Tecnológicos
Ejemplos: caída; flexión alternativa; maleabilidad... Según la naturaleza del ensayo:
Químicos; metalúrgicos; físicos; mecánicos.
Según la utilidad de la pieza tras el ensayo
Destructivos / No destructivos
Según la velocidad de aplicación de las fuerzas:
Estáticos / Dinámicos.
Índice
4
1) Ensayo de tracción
Sirve para determinar las propiedades mecánicas de cualquier material.
Permite comparar las características mecánicas de distintos materiales.
Ensayo: someter a una probeta a una fuerza de tracción que crece con el tiempo de manera lenta y contínua (para que la velocidad de aplicación no influya en el resultado).
Se toman medidas del alargamiento en función de la fuerza aplicada.
El ensayo finaliza con la rotura de la probeta.
Se obtiene el Diagrama TENSIÓNDEFORMACIÓN.
Índice
5
Probeta
lp = longitud de la probeta
lc= longitud calibrada
lo= longitud original entre dos marcas de la zona calibrada
6
Diagrama Tensión-Deformación I
Zona elástica (OE): El material sometido a esfuerzo de tracción se deforma alargándose pero recupera su longitud original si cesa el esfuerzo aplicado.
Zona proporcional (OP): se cumple la ley de Hooke: ”las deformaciónde son proporcionales a las cargas aplicadas”
Zona plástica (EU): una vez que cesa el esfuerzo sobre la probeta esta sólo recupera parcialmente su longitud original. (Deformación plástica + elástica)
Zona de deformación plástica uniforme (ER)
Zona de estricción (RU): deformación plastica localizada.
Zona de fluencia: muchos materiales no presentan una transición gradual entre las zonas de comportamiento elástico y plástico. Esto da lugar a la zona ondulada del diagrama que puede observarse a continuación del punto F
Análisis por zonas:
7
Zona proporcionalLey de Hooke: las deformaciones son proporcionales a las cargas aplicadas.
● σ = tensión.● ε = deformación.● E = módulo de Young o de elasticidad.
Unidades = fuerza / superficie SI = Pascal = N / m2
En muchos problemas = N / cm2
La ley de Hooke sólo es aplicable en la zona proporcional de la zona elástica.
=E
E=
8
Diagrama Tensión-Deformación II
σP = límite de proporcionalidad
σE = límite de elasticidad.
En la práctica los límites de elasticidad y de proporcionalidad se encuentran muy próximos entre sí.
σF = límite de fluencia
σR = resistencia a la tracción: máxima tensión que soporta la probeta durante el ensayo.
σU = tensión de rotura efectiva de la probeta, es inferior a la tensión de rotura debido a la estricción (estrechamiento de la sección de la probeta en la fase inmediatamente anterior a la rotura).
Resultados del ensayo:
Estricción: estrechamiento que se produce en la sección de la probeta en el momento en que se alcanza la tensión de rotura
9
2) Ensayos de dureza Definición: resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro.
No existen unidades absolutas de dureza: siempre hay que hacer referencia al ensayo empleado para determinarla. ( Cada ensayo determina su propia escala de dureza).
Importancia práctica de esta propiedad:
Determina la resistencia a la abrasión de un material y la facilidad con que puede ser mecanizado (fabricación de piezas por arranque de viruta o abrasión).
El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica, siendo un método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo que su uso está muy extendido.
Clasificación:
Ensayos de dureza al rayado: Escala de Mohs Dureza Martens
Ensayos de dureza a la penetración: Dureza Brinell Dureza Vickers Dureza Rockwell
Índice
10
a) Ensayos de dureza al rayado
Escala de Mohs: Friedrich Mohs (1820); método más
antiguo; se usa en mineralogía.
Se compara la dureza del mineral que se quiere estudiar con la de unos minerales patrón cuya dureza está numerada del uno al 10 en orden creciente.
1 Talco2 Yeso3 Calcita4 Fluorita
5 Apatito6 Feldespato7 Cuarzo
8 Topacio9 Corindón10 Diamante
Dureza Martens: Inverso de la anchura de del rayado
producido por un cono de diamante aplicado sobre la pieza con una fuerza determinada.
Índice
11
b) Ensayos de dureza a la penetración.-
Definición: resistencia que ofrece un material a ser penetrado por una pieza de otro material diferente, penetrador, que se empuja contra la superficie del material cuya dureza se quiere determinar:
Con una fuerza controlada. Durante un tiempo determinado. Con una velocidad de aplicación lenta.
En los ensayos Brinell y Vickers es la dureza vendrá determinada por el cociente entre la fuerza aplicada y la superficie de la huella que deja el penetrador en la pieza ensayada,
En el ensayo Rockwell el factor determinante será la profundidad de la huella.
Dureza=Fuerza aplicada
Superficie de la huella
Índice
12
b.1) Dureza Brinell.- Penetrador: esfera de acero templado de gran dureza.
Diámetro D: 1mm < D < 10 mm
Unidades: HB = fuerza / superficie = kp / mm2
Expresión: Dureza = 250 HB 500 3010
Dureza enKp / mm2
Diámetro Ddel penetrador
Fuerza aplicada en kp
Tiempo durante el que se aplica la fuerzaen segundos.
Condiciones del ensayo:● F = K D2 : para que ensayos con penetradores de diferentes diámetros sean comparables.
● 0,25 D < d < 0,5 D : para que no se produzcan realces ni rebajes en la huella.
● Debe considerarse el espesor del material para elegir el diámetro de la huella.
K= una constante que depende del material (kp/mm2)D = el diámetro del penetradord = diámetro de la huella
13
Cálculo de la dureza Brinell.-
D
dd/2
α
β
90º
Demostración:
Dureza=Fuerza
Superficie de la huella
Cálculo de la superficie de la huella:Superficie de un casquete esférico:
S=⋅D2
2⋅1−cos
d/2
α(D/2) cos(α)
Aplicando Pitágoras en el triángulo:
D2 ⋅cos 2
d2 2
= D2 2
Operando y despejando en 3):
1)
2)
3)
cos = D2
−d 2
DSustituyendo en 2):
S=⋅D2
2⋅1− D2
−d 2
D 4)
Sustituyendo y operando en 1):
Operando en 4):
S=
2⋅D⋅D−D 2
−d 2
HB=2F
⋅D⋅D−D 2−d 2
HB=2F
⋅D⋅D−D2−d 2
Índice
14
b.2) Dureza Vickers.-
Penetrador: punta de diamante tallada en forma de pirámide de base cuadrada de forma que dos caras opuestas de la misma forman un ángulo de 136º
Al utilizar este ángulo se consigue que las durezas Brinell y Vickers conicidan hasta valores de 300 HB
La dureza se determina dividiendo la fuerza por la superficie de la huella
La superficie de la huella se determina a partir de la medida de la diagonal que se realiza utilizando un microscopio.
Unidades: HV= fuerza / superficie de la huella = kp / mm2
Expresión: 280 HV 20
Dureza enkp / mm2
Carga en kp
15
Cálculo de la dureza Vickers.-
l
l / 2
HV =2⋅sin 68⋅F
d 2 HV =1,8544⋅F
d 2
Demostración:
HV=Fuerza
Superficie de la huellaCálculo de la superficie de la huella.
S=4⋅l⋅h2Tenemos que expresar S (superficie de la huella) en función
de d ( diagonal de la huella) que es la magnitud quemedimos:
sin68=l /2h
h=
l2⋅sin 68
l=d⋅cos 45 ; l=d⋅22
Sustituyendo el valor de obtenido para l en (4)
h=d⋅2
4⋅sin 68
Sustituyendo en (2) los valores obtenidos en (5) y (6) para ly h
S=d 2
2⋅sin68
Cálculo de la dureza.Sustituimos el valor de S obtenido en (7) en (1)
HV=2⋅sin 68⋅F
d 2
(1)
(2)
(3) Despejando en (3) (4)
(5)
(6)
(7)
Índice
16
Ventajas de Vickers respecto de Brinell
No es necesario cambiar el penetrador al variar la carga.
Se puede utilizar sobre superficies curvas.
El valor de la dureza es independiente del valor de la carga.
La prueba se puede realizar sobre materiales más duros que los que admite el método Brinell.
El método Brinell no puede aplicarse a materiales más duros que el propio penetrador.
En el método Brinell cuando la huella es muy pequeña se producen errores en la medida del diámetro de la huella.
En la dureza Brinell a partir de 300 HB la deformación de la bola influye en los resultados, por lo que las durezas HV son mayores que los de HB a partir de 300 HB.
Índice
17
b.3) Dureza Rockwell.-
Ensayo rápido pero poco preciso.
Método práctico por la rapidez y facilidad de realización.
Huella de poco tamaño.
La dureza se obtiene a partir de la medida de la profundidad de la huella.
Penetrador:
Materiales blandos (60 a 150 HV): se utiliza una bola de acero de 1,59 mm de diámetro.
Expresión: 85 HRB Materiales duros (hasta 1075 HV): se utiliza un cono de diamante de ángulo 120º
y rematado en un casquete esférico de radio r = 0,2 mm.
Expresión: 110 HRV 120º
0,2
18
Realización del ensayo Rockwell.-
h1
h2
h3
10 kp 150 kp 10 kp
e = h3- h
1
El penetrador se somete a una precarga de 10 kp, lo que provocará una deformación h1 que se mide.Después se procede a cargar con 150 kp en el caso de HRC ocon 100 kp en el caso de HRB, lo que provocará una deformación h2.Finalmente se vuelve a la carga de 10 kp. La deformación será ahora h3. (desaparecen las deformaciones elásticas) Se obtiene e = h3-h1.La dureza se obtiene como
▪ HRC= 100 – e▪ HRB = 130– e
◦ e es un número entre 0 y 100 en el que cada unidadvale 0,002 mm por lo que puede indicar profundidades de hasta 0,2 mm.
19
3) Ensayos de resistencia al impacto
Tienen como objetivo determinar la tenacidad de los materiales.
La tenacidad es una propiedad que indica la capacidad de un material para absorber energía deformándose cuando es sometido a esfuerzos dinámicos (esfuerzos que se aplican a alta velocidad).
Para que los resultados obtenidos en este tipo de ensayos sean aplicables debe llegarse a la rotura de la pieza.
Índice
20
a) Ensayo de Charpy
Es el ensayo más común de los que se realizan para medir la tenacidad.
Como resultado del ensayo obtendremos una magnitud denominada resiliencia,
Realización del ensayo:
Una probeta normalizada, de sección cuadrada, en la que se ha realizado una entalla se golpea con un péndulo por la cara opuesta a la entalla.
Energía absorbida: Resiliencia: es una magnitud que determina la tenacidad de
un material y que se obtiene dividiendo la energía que absorbe la probeta en el choque por la superficie de la sección de la probeta en la zona del impacto.
αβ
h1
P
h2
l E=P⋅h1−h2 E=P⋅l⋅cos −cos
=ES
Wikimedia Commons,
(resiliencia = kgm / cm2)
Índice
21
b) Ensayo de tracción por choque.-
El ensayo se realiza de forma similar al de tracción pero aplicando las fuerzas de tracción a alta velocidad.
Como resultado del ensayo se obtendrán unas gráficas fuerzaalargamiento.
La energía ( E ) absorbida en la deformación y rotura de la probeta vendrá dada por la superficie que se encuentra bajo la gráfica obtenida. (fuerza por incremento de longitud)
La resiliencia podría obtenerse como el cociente de esta energía por la superficie de la sección de la probeta.
F F
Δ l Δ l
E E
Material frágil Material tenaz =ES
Índice
22
● Se mide el número de ciclos que pueden realizarse antes de la rotura en función de la amplitud de la tensión aplicada , y de la relación entre las tensiones aplicadas, , ya que también influye en el resultado.
4) Ensayo de fatiga Fatiga: disminución de la resistencia a la rotura de un material elástico que ha sido sometido a esfuerzos
de intensidad, signo y duración variables un número determinado de veces.
Un objeto sometido a este tipo de esfuerzos puede romperse sin sobrepasar la tensión de rotura e incluso el límite de elasticidad.
Los fallos por fatiga representan un 90% de los fallos en las estructuras metálicas.
Ensayo de fatiga: la pieza es sometida a una carga cíclica comprendida entre un valor máximo σmáx
y un
valor mínimo σmin
.
Límite de fatiga: es la tensión S por debajo de la cual no se produce la rotura.
S=máx−min
R=min
máx
100
200
300
400
500
S (
MP
a)
103 104 105 106 107 108 109 1010
N (escala logarítmica)
Acero
Aluminio
Límite de fatiga
● Las cargas pueden ser:● Axiales:
● traccióncompresión;● traccióntracción.
● A flexión.● A torsión.
Índice
23
5) Ensayos tecnológicos destructivos.
El objetivo de estos ensayos es averiguar si un material, o una pieza, es válido o no para una determinada aplicación.
No se obtiene como resultado del ensayo un valor numérico para una propiedad del material (como en los ensayos científicos).
El tipo de pruebas a que se puede someter un material depende de la forma de la pieza y del uso que se vaya a dar a ésta.
A continuación se muestran algunos de los ensayos más habituales.
Índice
24
a) Ensayos de plegado.-
d
D + 3 d
1,5 d 1,5 d
D
α
Ensayo de flexión y plegado
El ensayo finaliza cuando se ha alcanzado el ángulo de curvatura previsto o cuando aparecen las primeras grietas en la zona de la barra sometida a tracción.
Este ensayo puede realizarse en caliente o en frío.
Flexión alternativa:
La chapa se sujeta entre dos mordazas y se dobla alternativamente en ángulos de 90º hasta que aparecen las primeras grietas.
Plegado con alas paralelas plegadas.
Plegado completo.
25
b) Ensayos de forjabilidad (1)
A = 3 veces el espesor
B = 1,5veces A comomáximo
Ensayo de platinado
Se golpea la probeta hasta que alcanza una anchura B = 1,5 A o hasta que aparecen las primeras grietas o fisuras.En este último caso se define el
Esta prueba suele realizarse con el material caliente (al rojo vivo).
Gradode forjabilidad=B−A
A
Esta prueba se realiza para estudiar la idoneidad de los materiales utilizados para remaches.
Se comprime la pieza con esfuerzos estáticos o dinámicos hasta que alcanza una altura h
1 = 1/3 h
0 o hasta que aparecen las primeras grietas.
En este caso se obtiene el
La prueba puede realizarse en frío o en caliente
d0
h0=
2 d
0
h1
Recalcado
Gradode recalcado=h0−h1
h0
26
Ensayos de forjabilidad (2)
Conicidad 1:10
d
2d
Mandrilado:
Se introduce un punzón en la barra en la que previamente se ha realizado un taladro de diámetro d
0 . Este taladro se va ensanchando con el punzón hasta alcanzar
un diámetro d = 2d0 o hasta que aparecen las primeras grietas.
En este último caso se determina el
Este ensayo se realiza a altas temperaturas.
Gradode ensanchamiento=d−d 0
d 0
27
c)Ensayo de embutición.-
El objetivo de este ensayo es determinar la capacidad del material para soportar procesos de conformación como la estampación.
Se estampa una bola sobre una chapa sujeta por todas partes y se determina la profundidad alcanzada antes de que aparezcan las primeras grietas.
En la zona inferior de la chapa puede colocarse un molde denominado sufridera.
28
6) Ensayos no destructivos.- No hay destrucción ni deterioro del material objeto de estudio.
No se emplean probetas, sino que se aplican a las piezas acabadas para encontrar posibles
defectos:
Grietas.
Sopladuras.
Rechupes.
Defectos de unión en soldaduras.
Defectos en los tratamientos técnicos.
Tipos de ensayos:
Macroscópicos.
Ópticos.
Ultrasónicos.
Rayos X.
Rayos γ.
Índice
29
a) Macroscópicos.-
Estudio de la pieza a simple vista o con un máximo de 15 aumentos
Se buscan defectos como:
Grietas superficiales.
Porosidades.
Descarburaciones.
Cementaciones.
Se sumerge la pieza en aceite o petróleo.
La acumulación del líquido delata el defecto.
Se ataca la superficie de la pieza con ácido nítrico.Las zonas más cementadas resultan más atacadas.
30
b) Ópticos.-
Las piezas se observan con instrumentos ópticos que proporcionan más de 15 aumentos (microscopio metalográfico).
Se obtienen información acerca de:
Constituyentes de las aleaciones.
Tamaño y forma del grano.
Porosidades y grietas microscópicas.
Corrosión intergranular.
31
C) Magnéticos.-
Se utilizan para el análisis de defectos en materiales ferromagnéticos.
Se basan en las variaciones del campo magnético cuando en la pieza hay defectos de continuidad como grietas, sopladuras o rechupes.
Se aplica un campo de gran intensidad a la pieza analizada.
Se aplica sobre la pieza algún material con propiedades magnéticas (magnetita o hierro en polvo o en una suspensión en aceite o petróleo).
La acumulación del material aplicado en alguna zona delata el defecto.
32
d) Eléctricos.-
Están basados en las variaciones en la conductividad eléctrica de los materiales conductores cuando contienen alguna impureza.
Se conecta la pieza objeto de estudio a una fuente de baja tensión.
Un micro voltímetro se desplaza por la superficie de la pieza.
En los lugares en que existan irregularidades se producirán variaciones en la lectura del microvoltímetro
Este método se emplea para la localización de defectos en vías de ferrocarril.
R=⋅lS
● La resistencia R, depende la resistividad del material ρ, de la longitud del conductor l, y de la sección del mismo S.
● En este caso podemos considerar que la longitud del material es la distancia entre las escobillas del voltímetro.
● Como V=RI e I (intensidad de la corriente) es constante, las variaciones en la Resistencia debidas a la presencia de grietas u otros defectos (variaciones en la sección) o a la presencia de impurezas (variaciones en la resistividad) se traducirán en variaciones en la tensión V.
33
e) Ultrasonidos
Son ondas sonoras con una frecuencia superior a 20.000 Hz que no pueden ser percibidas por el oído humano.
En estos ensayos suelen usarse frecuencias de unos 105 kHz.
Las ondas se producen aplicando una corriente alterna a un cristal piezoeléctrico. Las variaciones en la corriente eléctrica aplicada al cristal se traducirán en vibraciones en dicho cristal.
Ultrasonidos por transmisión:
Las impurezas interfieren con la señal emitida que no es recibida por completo en el receptor.
Estas interferencias pueden transformarse en una imagen o en una señal eléctrica.
Emisor
Receptor
Ultrasonidos por reflexión:
Las impurezas modifican el patrón de emisión obteniéndose una “imagen” (eco) del defecto en el receptor.
Emisor Receptor
34
f) Rayos X.- Los rayos x son una radiación electromagnética de muy corta longitud de onda y alta frecuencia (3 1018 Hz),
lo que les confiere un gran poder de pentetración.
La pieza ensayada se expone por uno de sus lados a una fuente de radiación, al otro lado de la pieza se coloca una película sensible a la radiación
Como resultado del ensayo se obtiene una radiografía de la pieza en la que los defectos quedarán reflejados como diferencias de densidad en la radiografía (zonas más oscuras o claras).
g) Rayos gamma.-
El ensayo es similar al realizado con rayos x pero la radiación es de menor longitud de onda y más alta frecuencia (3 1020 Hz).
El ensayo se realiza de forma similar al ensayo con rayos x
Ventajas e inconvenientes de los rayos γ frente a los rayos X
Ventajas Inconvenientes
● Pueden aplicarse a piezas con espesores mayores.
● Equipo más sencillo
● Empleo de material radiactivo● Escasa sensibilidad en espesores pequeños.● Escaso contraste en general (difícil interpretación.● Mayor tiempo de exposición.
