Sara López Puerta
IES Hermenegildo Lanz | Dpto. de
Tecnología Industrial II
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE
MEDIDA
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1. Propiedades mecánicas de los materiales.
Para la elección de un determinado material, que va a estar destinado a prestar
un servicio, es necesario conocer las características técnicas del mismo, de tal
forma que cualquier deformación que se produzca no sea excesiva y cause una
rotura. Las propiedades mecánicas de los materiales se determinan realizando
ensayos cuidadosos de laboratorio que reproducen las condiciones de trabajo
real hasta donde sea posible.
Propiedades mecánicas:
Cohesión: es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse.
Elasticidad: indica la capacidad que tienen los materiales elásticos de
recuperar la forma primitiva cuando cesa la carga que los deforma.
Plasticidad: define la facilidad de adquirir deformaciones permanentes
sin llegar a la rotura. Cuando estas deformaciones se presentan en
forma de láminas, hablaremos de maleabilidad, y si se presentan en
forma de filamentos, de ductilidad.
Dureza: es la resistencia que ofrece los cuerpos a ser rayados o
penetrados. Depende de la cohesión atómica.
Tenacidad: es la resistencia a la rotura por acción de fuerzas externas.
Fragilidad: es la propiedad opuesta a la tenacidad. Se caracteriza
porque la zona plástica es muy corta y los límites elástico y de rotura
están muy próximos.
Resilencia: Es la energía absorbida en una rotura por impacto.
La cohesión se valora a través de los ensayos de dureza, y la elasticidad y la
plasticidad por medio de los de tracción.
2. Clasificación y tipos de ensayo.
Ante la extensa gama de tipos de ensayos que se realizan en la industria para
determinar las características técnicas de los materiales, estableceremos tres
criterios básicos para su clasificación:
a) Atendiendo a la rigurosidad de su ejecución:
a. Ensayos técnicos de control. Son aquellos que se realizan
durante el proceso productivo. Se caracterizan por su rapidez y
simplicidad, al mismo tiempo han de ser exactos, fieles y
sensibles.
b. Ensayos científicos. Se realizan para investigar características
técnicas de nuevos materiales. Se caracterizan por su gran
precisión, fidelidad y sensibilidad.
b) Atendiendo a la forma de realizar los ensayos:
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a. Ensayos destructivos: las materiales ven alterada su forma y
aspecto inicial.
b. Ensayos no destructivos: su aspecto físico no se ve alterado.
c) Según el método empleado:
a. Ensayos químicos. Permiten conocer la composición química
cualitativa y cuantitativa del material, así como su comportamiento
ante los agentes químicos.
b. Ensayos metalográficos. Con ellos estudia la composición interna
del material dándonos a conocer los tratamientos térmicos y
mecánicos que ha sufrido.
c. Los ensayos físicos y físico-químicos. Determinamos propiedades
tales como la densidad, el punto de fusión, calor específico,
conductividad térmica y eléctrica, etc., así como las
imperfecciones y malformaciones tanto internas como externas.
d. Ensayos mecánicos. Determinan las características elásticas y de
resistencia de los materiales sometidos a esfuerzos o
deformaciones análogas a las que se presentan en la realidad.
Estudiaremos: ensayos estáticos de tracción, compresión,
cizalladura flexión y torsión, ensayos de dureza, de choque o
dinámicos, ensayos de fatiga y fluencia, ensayos tecnológicos de
plegado, doblado, embutición, forjado, etc.
3. Deformaciones elásticas y plásticas.
Deformaciones elásticas: el material es sometido a una fuerza de
tensión que provoca una deformación del mismo, si al cesar la fuerza el
material vuelve a sus dimensiones primitivas, diremos que ha
experimentado una deformación plástica. Los átomos son desplazados
de su posición original pero no hasta el punto de tomar nuevas
posiciones.
Deformaciones plásticas: el material se deforma hasta el extremo de
no poder recuperar por completo sus medidas originales.
4. Esfuerzo y deformación
Consideremos una varilla cilíndrica de longitud l0 y una
sección A0, sometida a una fuerza F de tracción.
Definiremos esfuerzo como el cociente entre la fuerza
de F y la sección transversal A0 e la varilla.
𝝈 =𝑭
𝑨𝟎
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Las unidades de esfuerzo en el Sistema Internacional son N/m2, de donde
1N/m2 = 1 Pa.
Cuando se aplica a una varilla una fuerza de tracción, se provoca un
alargamiento o elongación de la varilla en la dirección de la fuerza, es a lo que
se le denomina deformación. Se entiende por deformación unitaria el cociente
entre la variación de longitud en dirección a la fuerza y la longitud original
considerada.
𝜺 =𝒍 − 𝒍𝟎𝒍𝟎
=∆𝒍
𝒍𝟎
De donde:
𝑙0= longitud inicial de la muestra
𝑙 = Nueva longitud de la muestra después de haber sido alargada por una fuerza de
tensión uniaxial.
∆𝑙 = Variación de la longitud de la muestra
Por tanto de deformación unitaria () resulta ser adimensional.
En la práctica industrial, es habitual convertir la deformación en porcentaje de
deformación o porcentaje de alargamiento:
% deformación = deformación · 100 % = % alargamiento
5. Ensayo de tracción (UNE 7-474)
Consisten someter a una probeta de forma y dimensiones normalizadas a un
sistema de fuerzas exteriores (fuerzas de tracción) en la dirección de su eje
longitudinal hasta romperla.
Las probetas normalizadas están reguladas
por las normas:
UNE 7282, preparación
UNE 7262-73, tolerancias en su
mecanizado
UNE 7010, recomienda: superficie de
150 mm2, diámetro de 13,8 mm, longitud
inicial de 100 mm.
RECURSOS:
Pascal
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Existen dos tipos de probetas:
- Probetas cilíndricas: se utilizan en ensayos con materiales forjados,
fundidos, barras y redondos laminados y planchas de espesor grueso.
- Probetas prismáticas: se emplean en planchas de espesores medios y
pequeños.
Las probetas constan de una parte central calibrada, zona en la cual se han de
producir las deformaciones y roturas de la pieza, y de unos cabezales de donde
se sujeta a la máquina.
Las máquinas de
tracción son dispositivos
mecánicos o hidráulicos
que someten a las
probetas a una fuerza de
tracción que crece de
forma lenta y continuada
de forma que esta influya
lo mínimo posible en el
ensayo. Dicha máquina es
capaz de establecer la
relación entre las fuerzas aplicadas y alargamientos producidos. Normalmente
este ensayo termina con la rotura de la probeta.
Pincha en la imagen para observar una simulación del ensayo de tracción.
5.1. Diagrama de tracción
Durante el ensayo se mide el alargamiento (l) que experimenta la provea al
estar sometida a la fuerza (F) de tracción. De esta forma se puede obtener un
diagrama fuerza-alargamiento, pero, para que el resultado del ensayo dependa
lo menos posible de las dimensiones de la probeta y que, por tanto, resulten
comparables los ensayos realizados con probetas de diferentes tamaños, se
utiliza el diagrama tensión () - deformación unitaria ().
Deformación o alargamiento unitario (adimensional): cociente entre el
alargamiento l experimentado y la longitud inicial de la probeta l0
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∆𝑙 = 𝑙1 − 𝑙0
𝜺 =∆𝒍
𝒍𝟎
Tensión (N/m2 o kp/cm2): fuerza aplicada a la probeta por unidad de
sección; es decir, si la sección inicial es A0 la tensión viene dada por:
𝝈 =𝑭
𝑨𝟎
Realizadas estas transformaciones obtenemos una gráfica parecida a:
Cada material presenta una gráfica de tracción característica pero todas ellas
tienen en común dos zonas:
Zona elástica (OE). Se caracteriza porque al cesar las tensiones
aplicadas, los materiales recuperan su longitud original l0. Dentro de la
zona elástica distinguimos:
- Zona de proporcionalidad (OP). Observamos que se trata de una
recta, por tanto, existe una proporcionalidad entre las tensiones
aplicadas y los alargamientos unitarios. Matemáticamente se cumple:
𝝈 = 𝒄𝒕𝒆 · 𝜺
La relación entre ambas magnitudes (σ/ε) se le llama Módulo de
elasticidad (E) o Módulo de Young. E = σ/ε
𝒕𝒈 𝜶 =𝝈
𝜺= 𝑬
El límite de esta zona es el punto P, llamado limite de
proporcionalidad y a la tensión aplicada en dicho punto, tensión de
proporcionalidad. Para aquellos materiales donde no exista la zona
no proporcional el límite elástico y límite de proporcionalidad
coinciden.
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Es la zona donde deben trabajar los materiales.
- Zona no proporcional (PE). El material se comporta de forma elástica
pero las deformaciones y tensiones no están relacionadas
matemáticamente. No es una zona aconsejable de trabajo, ya que no
podemos controlar la relación deformación-tensión aplicada. No se
existe en todos los materiales. Al punto que limita esta zona (E) se le
denomina límite elástico.
Zona plástica (EU). Se ha rebasado la tensión del límite elástico E de
tal forma que aunque dejemos de aplicar tensiones de tracción, el
material ya no recupera su longitud original, es decir, su longitud será
algo mayor que l0. Diremos que el material ha sufrido deformaciones
permanentes. Dentro de la zona plástica distinguimos otras tres zonas:
- Zona límite de fluencia (EF). En esta zona se van a producir
alargamientos muy rápidos sin que varíe la tensión aplicada es lo que
se conoce como fluencia,. Al punto F se le denomina limite de
fluencia y a la tensión que lo provoca tensión de fluencia. Este punto
es característico en los aceros pero no se da en otros muchos
materiales.
- Zona límite de rotura (ER). Zona donde a pequeñas variaciones de
tensión se producen grandes alargamientos. En esta zona, al igual
que la anterior, las deformaciones son permanentes. El límite de esta
zona es el punto R, llamado límite de rotura, y a la tensión aplicada
en dicho punto la denominamos tensión de rotura. A partir de este
punto el material se considera roto, aunque no se haya producido la
fractura visual.
- Zona de rotura (RU). Superado el punto R, aunque se mantenga
constante o baje ligeramente la tensión aplicada, el material sigue
alargándose progresivamente hasta que se produce la rotura física
total en el punto U.
Tensiones máximas de trabajo.
Se denomina tensión máxima de trabajo, al límite de carga máximo, según
norma, al que podemos someter a una pieza o elemento simple de una
estructura. Cuantitativamente el valor de esta tensión es inferior a la tensión
correspondiente al límite de proporcionalidad. Con ello nos aseguramos de:
Que el elemento resistente no padecerá deformaciones plásticas.
Que se cumple la ley de Hooke.
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Que se tenga un margen de seguridad que asuma la posibilidad de que
aparezcan fuerzas imprevisibles.
Para calcular las tensiones máximas se tendrán en cuentas las tensiones de
fluencia o si no existe esta la tensión de rotura:
𝜎𝑡 =𝜎𝑓
𝑛
𝜎𝑡 =𝜎𝑟𝑛
n = coeficiente de seguridad
6. Ensayo de dureza
La dureza se define como la resistencia que ofrece un material a ser rayado o
penetrado por otro. La propiedad mecánica que determinamos a través de
estos ensayos es la cohesión.
6.1. Ensayo de dureza al rayado.
Los primeros procedimientos que se utilizaron, se basaron en la resistencia que
oponen los cuerpos a ser rayados. Fue Mohs, en 1822, el que estableció la
primera escala de dureza con 10 materiales, donde cada uno de ellos es
rayado por el siguiente en la escala. Esta comienza por el talco como el más
blando y termina con el diamante como el más duro.
RECURSOS:
Introducción al ensayo de tracción
Video:
- Ensayo de tracción (UPV)
- Ensayo de tracción. Cálculo de deformaciones (UPV)
- Ensayo de tracción. Cálculo de tensiones (UPV)
- Ensayo de tracción en acero revenido
- Simulador ensayo de tracción
RECURSOS:
Video:
- Ensayo de dureza (UPV)
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Escala de Mohs
1 Talco
2 Yeso
3 Calcita
4 Fluorita
5 Apatita
6 Feldespato
7 Cuarzo
8 Topacio
9 Corindón
10 Diamante
A modo de ejemplos la fundición gris está entre 8 y 9; el hierro dulce en el 5; y los aceros entre 6,7 y 8.
a. Ensayo 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 y la dureza Martens viene dada por:
𝑯𝑴 =𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎
𝒂𝟐
La nitruración es un tratamiento termoquímico que se le da al acero. El proceso modifica su composición añadiendo nitrógeno mientras es calentado. El resultado es un incremento de la dureza superficial de las piezas. También aumenta la resistencia a la corrosión y a la fatiga.
b. Ensayo a la lima: por medio de una lima en buen estado se puede
determinar, de forma aproximada, la dureza del acero templado. Si
no entra la lima, la dureza del acero será superior a 60 HRC (60
Rockwell-C, y si entra la dureza será inferior a 58 HRC (58 Rockwell-
C).
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7.2 . Ensayos de penetración.
Estas técnicas cuantitativas para determinar la dureza de los materiales
se basan en un pequeño penetrador que es forzado sobre la superficie
del material a ensayar, en condiciones controladas de carga y velocidad
de aplicación de la misma. En estos ensayos se mide la profundidad o
tamaño de la huella resultante. Las durezas así medidas tienen
solamente un significado relativo (no absoluto), y es necesario tener
precaución al comparar las durezas obtenidas por técnicas distintas.
a. Ensayo Brinell (UNE 7-422-85): Mide la huella del casquete esférico
que deja una bola de acero endurecido al ser comprimida sobre una
superficie plana y lisa del cuerpo a ensayar hasta alcanzar la carga
prevista y mantenida cierto tiempo. La dureza se expresa como el
cociente entre la carga aplicada en kg y la superficie del casquete
medida en mm2.
𝑯𝑩 =𝑭
𝑺=
𝟐𝑭
𝝅𝑫(𝑫− 𝑫𝟐 − 𝒅𝟐)
S = superficie del casquete de la huella. Recordemos que la superficie de un casquete
esférico viene dado por la expresión:
𝑺 = 𝝅𝑫𝒇
f = profundidad de la huella.
Ejercicio: calcular el valor de f.
Nomenclatura:
Generalmente, no se calcula la dureza Brinell aplicando la fórmula, sino
por medio de tablas, donde conocido el diámetro de la huella,
encontramos directamente el valor de la dureza.
Este ensayo tiene sus limitaciones. Para materiales de espesor inferior a
6 mm, al aplicarle la fuerza con una bola de 10mm de diámetro se
deforma el material, dando resultados erróneos. Para solucionar este
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problema se puede disminuir la carga y el diámetro de la bola, de tal
forma que las huellas sean menos profundas. Para evitar posibles
errores se calcula la carga según la siguiente fórmula:
𝑭 = 𝑲𝑫𝟐
De donde:
F = carga a utilizar medida en kp
K = constante para cada material, que puede valer 5 (aluminio, magnesio y sus
aleaciones), 10(cobre y sus aleaciones), y 30 (aceros)
D = diámetro de la bola (indentador) medida en mm
Y el diámetro de la huella ha de estar comprendido entre:
𝑫
𝟒< 𝑑 <
𝑫
𝟐
b. Ensayo Vickers (UNE 7-423-84): Para este ensayo el penetrador que
utilizamos es una pirámide regular de base, cuyas caras forman un
ángulo de 136º. Este tipo de ensayo se recomienda para durezas
superiores a 500 HB.
Presenta ventajas respecto al ensayo anterior, porque se puede utilizar
tanto para materiales duros como blando, y además los espesores de las
piezas pueden ser muy pequeños.
La dureza se expresa como el cociente entre la carga, en kg y la
superficie de la huella proyectada, en mm2. Las cargas que se utilizan
son muy pequeñas, de 1 a 120 kg, aunque lo normal es emplear 30 kg.
Ejercicio:
Para determinar la dureza Brinell de un material se ha utilizado una bola de 5
mm de diámetro y se ha elegido una constante k = 30, obteniéndose una
huella de 2,3 mm de diámetro. Calcule:
a) Dureza Brinell del material
b) Profundidad de la huella
RECURSOS:
Para saber más…
Video:
- Ensayo de BRINELL. Ensayo real
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El tiempo de aplicación varía entre 10 y 30 segundos, siendo 15
segundos lo más habitual.
𝑯𝑽 =𝑭
𝑺
Teniendo en cuenta que la supuperficie
lateral de la huella viene dada por:
𝑺 = 𝟒𝒍𝒉
𝟐
La expresión en función de la distancia
“d” quedaría.
𝑯𝑽 = 𝟏,𝟖𝟓𝟒𝟑𝑭
𝒅𝟐
Ejercicio: Calcular el valor de S
Su nomenclatura viena dada por:
c. Ensayo de Rockwell (UNE 7-424-89): en ensayo Rockwell es un
ensayo rápido y fácil de realizar pero menos preciso que los anteriores,
con este método la dureza se obtiene en función de la profundidad de la
huella y no en función de la superficie como ocurre con los ensayos de
Brinell y Vickers.
El penetrador consiste en una bola para materiales blandos,
obteniendose el grado de dureza Rockwell bola (HRB); o bien un cono
de diamante de 120º para materiales duros resultando el grado de
dureza Rockwell cono (RHC)L
RECURSOS:
Video:
- Ensayo de Vickers. Ensayo real
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Para realizar este ensayo se siguen los siguientes pasos:
Se aplica una carga de 10 kg al penetrador (bola o cono),
provocando una pequeña huella en la superficie del material a
ensayar; se mide la profundidad de esa huella, h1, y se toma
como referencia, colocando a cero el comparador de la máquina.
Aumentamos las cargas en 90 kg para el penetrador de bola y
140 kg para el de cono, mantenemos la carga un tiempo
comprendido entre 3 y 6 sg, y medimos la profundad producidad
h2.
Retiramos las cargas adicionales, y puesto que se dan
deformaciones tanto plásticas como elásticas, al retirar la carga
permaneceran unicamente las primeras, el valor de la profundiad
será, e = h2- h1
- Dureza Rockwell HRC = 100- e
- Dureza Rockwell HRB = 130- e
Nomenclatura:
Las durezas Rockwell y Rockwell Superficial vienen dadas por la
siguiente fórmula:
Dónde:
es la carga aplicada en kg
es el identificador del ensayo Rockwell
va a continuación de y es la letra correspondiente a la Escala
usada
Un ejemplo para un material que se le ha aplicado un esfuerzo de 60 kg y se ha
usado la escala B sería:
RECURSOS:
Video:
- Ensayo rockwell (real)
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Tabla resumen ensayos dureza:
Ensayo Esquema
Ensayo BRINELL. Indentador: Esfera de 10mm de acero o carburo de tungsteno. Carga = F
𝑯𝑩 =𝑭
𝑺=
𝟐𝑭
𝝅𝑫(𝑫− 𝑫𝟐 − 𝒅𝟐)
Ensayo VICKERS Indentador: Pirámide de diamante Carga = F
𝑯𝑽 = 𝟏,𝟖𝟓𝟒𝟑𝑭
𝒅𝟐
Ensayo ROCKWELL A, C, D Indentador: Cono de diamante (HRA, HRC, HRD) Carga:
PA = 60 Kg PC = 150 Kg PD = 100 Kg
Fórmula: HRA, HRC, HRD = 100 - e
Ensayo ROCKWELL B, F, G, E Indentador:
Esfera de acero f = 1/16 „‟ (HRB, HRF, HRG) Esfera de acero f = 1/8 „‟ (HRE)
Carga: PB = 100 Kg PF = 60 Kg PG = 150 Kg PE = 100 Kg
Fórmula: HRB, HRF, HRG, HRE = 130 - e
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7. Ensayo dinámico por choque. Ensayo de Resilencia.
El más característico es el ensayo Charpy. En este ensayo se utiliza una
probeta de sección cuadrada provista de una entalladura que es sometida a la
acción de una carga de ruptura por medio de un martillo que se desplaza en
una trayectoria circular.
La energía absorbida por la ruptura se llama resiliencia y su unidad en el
sistema internacional es el J/m2.
𝐸𝑝 = 𝑚 · 𝑔(𝐻 − )
𝜌 =𝐸𝑝
𝐴0
Ep = Energía potencial absorbida en la ruptura en Julios (J)
m = Masa del martillo en kg
g = Gravedad terrestre 9,8 m/s2
H = Atura desde la que cae el martillo en metros (m)
h = Altura que alcanza el martillo después de romper la probeta en metros (m)
= Resiliencia en Julios por metro cuadrado (J/m2)
A0 = Sección de la probeta por la parte de entalladura en metros cuadrados (m2)
RECURSOS:
Video:
- Ensayo Charpy
- Ensayo de impacto o Charpy (UPV)
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8. Ensayo de fatiga.
Cuando determinadas piezas están sometidas a esfuerzos variables en
magnitud y sentido que se repiten con cierta frecuencia, se pueden romper con
cargas inferiores a las de rotura, incluso trabajando por debajo del límite
elástico siempre que actúen durante un tiempo suficiente. A este fenómeno se
le conoce como fatiga.
Límite de fatiga: es el máximo valor de la tensión al que podemos someter un
material sin romperse, independientemente del número de veces que se repita
la acción.
A tener en cuenta:
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.
Para que la rotura no tengo lugar, con independencia del número de
ciclos, es necesario que la diferencia entre la carga máxima y mínima
sea inferior a un determinado valor, llamado límite de fatiga.
Los ensayos de fatiga más habituales son los de flexión rotativa y torsión.
9. Otros ensayos.
9.1 Ensayo de compresión
Este ensayo es poco frecuente en los metales
y consiste en aplicar a la probeta, en la
dirección de su eje longitudinal, una carga
estática que tiende a provocar un
acortamiento de la misma y cuyo valor se irá
incrementando hasta la rotura o suspensión
del ensayo.
Se utilizan probetas cilíndricas de altura dos veces
su diámetro, de no ser así podrían sufrir el
fenómeno denominado pandeo.
RECURSOS:
Videos:
- Video: Ensayo de fatiga (UPV)
- Máquina torsionadora.
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El diagrama obtenido en un ensayo de compresión presenta para los aceros, al
igual que el de tracción un periodo elástico y otro plástico. Permite deducir que
los materiales frágiles sometidos a compresión rompen sin deformarse, para
los dúctiles este ensayo carece de importancia puesto que se deforman hasta
la suspensión de la carga, siendo posible determinar únicamente el límite de
proporcionalidad.
9.2. Ensayo de flexión
El esfuerzo de flexión puro o simple se obtiene cuando se aplican sobre un
cuerpo pares de fuerza perpendiculares a su eje longitudinal, de modo que
provoquen el giro de las secciones transversales con respecto a los inmediatos.
9.3 Ensayo de plegado
El plegado a temperatura ambiente es un ensayo tecnológico derivado del de flexión, se realiza para determinar la ductilidad de los materiales metálicos (de él no se obtiene ningún valor específico).
Este ensayo es solicitado por las especificaciones en la recepción de aceros en barras y perfiles, para la comprobación de la tenacidad de los mismos y después de haber sido sometido al tratamiento térmico de recocido. El material se coloca entre los soportes cilíndricos, aplicando la carga lentamente hasta obtener el ángulo de plegado especificado para el mismo, o bien cuando se observa la aparición de las primeras fisuras en la cara inferior o la sometida a tracción.