Tema 2. Ensayo de materiales

1.Propiedades de los materiales

Propiedades mecnicas Plasticidad es la propiedad mecnica de un material de deformarse permanentemente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su lmite elstico.

Elasticidad es la propiedad de un material que le hace recuperar su tamao y forma original despus de ser comprimido o estirado por una fuerza externa, al cesar dicha fuerza.

Ductilidad es la capacidad de un metal para deformarse ante una fuerza de traccin y ser estirado y convertido en alambre o hilo.,

Maleabilidad es la capacidad del metal para deformarse y cambiar de forma cuando se martilla o lamina, para formas hojas delgadas

Dureza es la oposicin que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro.

Resiliencia es la resistencia que opone un cuerpo a los choques o esfuerzos bruscos, sin deformarse ni romperse.

Resistencia a la rotura es la oposicin que opone un material a romperse ante la accin continuada de diferentes esfuerzos (traccin, compresin, flexin, torsin y cizalladura)

Tenacidad es la propiedad que tienen ciertos materiales de absorber y soportar, sin romperse, los esfuerzos que se les apliquen.

Fragilidad es la facilidad de los materiales a romperse cuando una fuerza impacta sobre ellos.

Fatiga consiste en el desgaste y posterior ruptura de un objeto que , soporta cargas repetitivas, aun cuando estas cargas estn por debajo de su tensin de rotura

Maquinabilidad es la facilidad que ofrecen los materiales a ser mecanizados.

Acritud es la propiedad que adquiere un metal que tras someterlo a deformaciones en fro, aumenta de dureza, fragilidad y resistencia a la traccin.

2. Elasticidad y plasticidad

Cunado un material es sometido a una tensin se produce una deformacin del mismo. Si al cesar la fuerza el material vuelve a sus dimensiones primitivas , se dice que ha experimentado una deformacin elstica .

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

3. Ensayo de traccin

Consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo de traccin creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Se cuantifica la tensin aplicada () y la deformacin producida ().

Conceptos bsicos Tensin: es la fuerza capaz de soportar un cuerpo por unidad de superficie (N/m2 kp/ cm2 kp/ mm2) (1 Kp = 9,8 N)N/m2 = Pascal F = Fuerza de traccinAo= seccin original de la probeta

Deformacin: es el a alargamiento de una varilla debido a la aplicacin de una fuerza. Lo = longitud inicialLf = longitud final = Alargamiento unitario

Anlisis del diagrama de traccin

Zona elstica OE: La probeta se deforma por el esfuerzo, pero una vez que lo dejamos de aplicar recupera su forma original.Zona elstica proporcional (OP): las deformaciones son proporcionales a los esfuerzos que los producen. En esta zona se cumple la ley de HooKe y podemos calcular el mdulo de elasticidad o mdulo de Young .

Zona no proporcional (PE): las deformaciones no son permanentes, pero no hay relacin entre los esfuerzos y las deformaciones

Zona plstica ES: cuando cesa la fuerza, la deformacin permanece. Zona lmite de rotura ER: el material sufre grandes deformaciones hasta llegar a la rotura R; en ese punto el material se considera roto aunque no se haya producido la fractura visual.

Zona de rotura RS: el material sigue alargndose hasta llegar a la rotura fsica

Conceptos

Lmite elstico: es la tensin mxima que un material puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes E.

Tensin de rotura: Es la mxima tensin que un material puede soportar al ser traccionado antes de que se la seccin transversal de la probeta se comience a contraer de manera significativa. R

Lmite de fluencia: Es el punto donde comienza el fenmeno conocido como fluencia, que consiste en un alargamiento muy rpido sin que vare la tensin aplicada en un ensayo de traccin. f

Modulo de Young (E): Relacin entre la tensin aplicada y la deformacin en la zona elstica proporcional del diagrama de traccin. E= /

Elongacin: Alargamiento total sufrido por la probeta a lo largo del ensayo , se expresa en porcentaje.

Rigidez: Un material rgido tiene mayor modulo de Young y no pueden deformarse fcilmente ya que opone mayor resistencia a du deformacin elstica

Ley de HooKe

La tensin que se aplica para deformar elsticamente un solido es igual al producto del alargamiento unitario que sufre por una constante que depende de cada tipo de material ( modulo de Young).

Tensin mxima de trabajo

La normativa establece un lmite de carga al que debemos someter una pieza, para que el material trabaje en condiciones de seguridad. Por eso debe cumplirse:- El material no debe sufrir deformaciones plsticas- El material debe trabajar en la zona elstica de proporcionalidad, cumpliendo la ley de Hooke- Se debe contar con un margen de seguridad, por posible aparicin de fuerzas imprevistas.La tensin mxima de trabajo se calcula en funcin de la tensin de rotura o de la tensin de fluencia: n=coeficiente de seguridad (suele estar entre 1,5 y 6).

Ejercicios

PAU Septiembre 2011/2012A la vista de la siguiente grfica tensin-deformacin obtenida en un ensayo de traccin:a) Explique qu representan los puntos R y P. b) Determine el Mdulo de Elasticidad de Young. c) Calcule el valor de la tensin mxima de trabajo si el coeficiente de seguridad es de 2, aplicado sobre ellmite de elasticidad proporcional. d) Determine la carga mxima de trabajo si la seccin de la probeta es de 140 mm2

2.PAU Septiembre 2009/2010 Una probeta de seccin circular de 2 cm de dimetro y 10 cm de longitud se deforma elsticamente a traccin hasta que se alcanza una fuerza de 10.000 N, con un alargamiento en ese momento de 0,1 mm. Si se aumenta la fuerza en la probeta empiezan las deformaciones plsticas hasta alcanzar una fuerza de 15.000 N. Se pide: a) Tensin de rotura. b) Tensin lmite elstica. c) Mdulo de elasticidad. d) Dibuje el diagrama tensin-deformacin (s-e) del comportamiento elstico del material.

3.PAU Septiembre 2009/2010a) Dado el diagrama caracterstico de traccin del acero de la figura indique las zonas o puntos caractersticos.b) Enuncie la ley de comportamiento elstico y diga en qu parte del diagrama es vlida dicha leyc) Indique qu es la fluencia y en qu parte del diagrama se produce.

4.Sabiendo que la carga mxima aplicada en un ensayo de traccin, sobre una probeta normalizada de 150 mm2 de seccin es de 50.000 N, calcula la tensin de rotura.

5. Una pieza cilndrica de 1,5 cm de dimetro est sometida a una carga de 2.500 kp. Determina la tensin de la pieza expresado en MPa.

6. Compara la fuerza necesaria para producir una tensin de 30 MPa en una pieza cilndrica de 150 mm de dimetro y en otra con un dimetro de 200 mm. La pieza de acero de la figura, de secciones cuadradas, tiene un lmite elstico de 6.200 kg/cm2 . Se somete a una fuerza F esttica y deseamos un coeficiente de seguridad de 4. Calcula el valor mximo de la fuerza a aplicar y el alargamiento total,. (Mdulo de Young 2,1*106kg/cm2).

Ensayos de dureza

Ensayo Brinell : Este mtodo consiste en aplicar una fuerza a una bola de acero y calcular el cociente entre la fuerza y la superficie de la huella.HB = dureza Brinell (Kp/mm2)F = fuerza aplicada (Kp)S = superficie del casquete de la huella (mm)S viene dada por la expresinS = D fS = superficie de la marca (mm2)D = diametro de la bola de acero (mm)f = profundidad de la marca (mm)

Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y muestras delgadas. El indentador o penetrador usado es una bola de acero templado de diferentes dimetros. Para los materiales ms duros se usan bolas de carburo de tungsteno. En el ensayo tpico se suele utilizar una bola de acero de 10 a 12 milmetros de dimetro, con una fuerza de 3.000 kilopondios

Clculo de profundidad y dureza

Clculo de profundidad de huella

Clculo de dureza

Ejercicios

PAU Junio 2008/2009Si a una pieza con una constante de proporcionalidad k = 20 kp/mm2 se le somete a un ensayo de dureza Brinell, con un dimetro de la bola de 8 mm, se produce una huella con un dimetro de 3 mm. Calcule:a) La carga aplicadab) El rea del casquete esfrico que se produce. c) El grado de dureza Brinell.

Calcula el valor de dureza de Brinell (HB) que corresponde al bronce si sabemos que una bola de acero de 10mm de dimetro, sometida a una carga de 3.000Kg, deja una huella de dimetro 5,88mm.SOL: HB=99,91Kg/mm2

Para determinar la dureza de Brinell de un material se ha utilizado una bola de 5mm de dimetro y se ha escogido una K=30, obtenindose una huella de 2,3mm de dimetro.Calcular:a. Dureza Brinell del material.b. Profundidad de la huella

Ensayo Vickers (HV) : Se presiona el material con una pirmide de diamante de base cuadrada cuyas caras forman un ngulo de 136.

Se utiliza para materriales muy duros y piezas muy delgadas . Calcula la dureza en funcin de la diagonal d de la huella.

HV = dureza Vickers (Kp/mm2)

F = fuerza aplicada (Kp)

S = superficie lateral de la huella (mm)= 4 l.h /2

d = digonal de la huella (mm)

Ejercicios

PAU Septiembre 2003/200Tras someter a una pieza a ensayo Vickers on una carga de 20 Kp se obtiene una huella en la que cada uno de los tringulos que la componen tienen una altura h = 0,2 mm y una base b= 0,37 mm.a) Indique la forma de la huellab) Calcule la superficie lateral de la huellac) Determine la dureza Vickers de la piezad) Qu ventajas representa este ensayo respecto al Brinell?PAU Septiembre 2007/2008a) Describa los ensayos ms adecuados para determinar la dureza de un material b) Una pieza es sometida a un ensayo de dureza por el mtodo Vickers. Sabiendo que la cargaempleada es de 200 N y que se obtiene una huella cuya diagonal es igual a 0,260 mm, calcule ladureza Vickers de la pieza. Datos: 1 kp = 9,8N

Ensayo RockwellEn los ensayos anteriores no se tiene en cuenta que el material penetrado tiene una cierta recuperacin elstica tras la desaparicin de la carga. Para obviar este punto se desarrollaron los mtodos Rockwell, en los que adems se mide la profundidad de la huella mediante mquinas de precisin llamadas durmetros.

Se usan penetradores y fuerzas normalizadas para cubrir un amplio espectro de materiales, y cada combinacin recibe una letra, de las cuales las ms frecuentes son las escalas Rockwell B (con una bola de acero) y la Rockwell C (con un cono de diamante).

Fo

Fo

Fo+ F1

El proceso es el siguiente:

1 Se aplica al penetrador una precarga baja de 10 kp para provocar una deformacin elstica, y se obtiene una profundidad h0.

2 A continuacin se aplica una carga adicional hasta alcanzar los 100 kp (HRB) o de 150 kp (HRC), con lo cual el penetrador se introduce hasta una profundidad h1 produciendo una deformacin plstica.

3 Por ltimo se retira esta carga adicional y se vuelve hasta el valor de 10 kp de la precarga, con lo cual el penetrador se queda a una profundidad h2.

La diferencia entre la profundidad inicial y la final d = h2 - h0 elimina la componente elstica de la deformacin. A continuacin se comprueba cuntas veces cabe en esta diferencia "d" la unidad Rockwell de 0,002 mm y ste es el valor de penetracin.

Este valor es tanto menor cuanto ms duro sea el material. Para que los materiales ms duros tengan valores de dureza ms altos, se resta la penetracin Rockwell de 130 (en la escala HRB) o de 100 (en la escala HRC).

HRB = 130 - e

HRC = 100 - e

Ensayo de resiliencia

Mide la tenacidad o resistencia al impacto de un material. El ms comn es el ensayo de flexin por choque o ensayo de Charpy. Se golpea una probeta entallada y la energa absorbida en el impacto depender de la tenacidad del material.

Lo que se mide es la energa consumida por la probeta en su rotura ( diferencia entre energas potenciales) entre la seccin.Se expresa en J/m2 .

Ensayo por fatiga

El principio de la rotura por fatiga estriba en que con un esfuerzo muchsimo menor que el de rotura, pero aplicado de forma reiterada se, consigue que el material acabe por romperse, mostrando una superficie muy tpica:

un punto de inicio , una zona de playas o propagacin por la que se va extendiendo la grieta hasta que la seccin efectiva del material es muy pequea.

Ensayo de flexin rotativa