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8/18/2019 ensayos del acero.docx

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a!Elaborar probetas de acero dulce "E'25, E- *++'5, de *+ mm de diámetro y 1 65.75, E- *+++'8*

b!(arcar las partes cilndricas con dos granetazos separados la longitud & +.

c*!(ontar la probeta en las mordazas de la prensa y aumentar la carga % con unavelocidad v p 6 *+ mm8min hasta una carga de *5 -. 9espu/s volver a + la cargaregistrando las deformaciones permanentes ∆&, figura '.:.

c'!(ontar una segunda probeta y volver a ascender las cargas con velocidad v p 6 *+mm8min, hasta alcanzar la carga de ': - y descender hasta + registrando las cargasy las deformaciones.

c2!(ontar la tercera probeta y volver a cargarla con velocidad v p hasta la roturaregistrando en cada momento la carga % y el alargamiento ∆&.

d!

;untar las dos medias probetas y medir la longitud &r que existe entre los dos

granetazos, y el diámetro de rotura dr .

&a medici)n de las caractersticas de las probetas, con posterioridad a larotura, ofrece los siguientes resultados

&r 6 7+ mm.dr 6 5.5mm.0dr !∆&6+.+:5 6 5.5+ mm.

%igura '.:. $egistro %3∆& para carga de *5 -.

%igura '.5. $egistro completo del ensayo de tracci)n.

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2.2. SOBRE EL ENSAYO DE TRACCIÓN

" partir del diagrama %3∆& podemos obtener el diagrama tensiones, σ, 3deformaciones unitarias, ε, a trav/s de las expresiones

σ 6 %8S+ 0'.'!ε 6 0∆&8&+! *++ 0'.2!

Si se consideran S+ y &+ la secci)n y longitud inicial respectivamente, parámetros fijos durante todo el ensayo, el diagrama σ3ε es semejante al %8∆&con razones de semejanza *8S+ y *++8&+ respectivamente. En la figura '.7 seexpresa el diagrama σ3ε correspondiente al acero "E '25 ensayado.

%igura '.7. 9iagrama σ−ε en el acero "E'25.

&os diagramas unitarios de tracci)n σ3ε son semejantes a los obtenidos en la

máquina de ensayos %3∆& con razones de semejanza *8S+ y *++8&+,respectivamente.

2.3. SOBRE LA DEFINICIÓN DE LA ZONA ELÁSTICASe denominada zona elástica a la fracci)n del ensayo en la que se establece

una correlaci)n lineal, o cuasilineal, entre las tensiones axiales σ y lasdeformaciones unitarias ε.

En la figura '.


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El campo de tensiones en el que se cumple la correlaci)n lineal σ 6 E ε es elcampo elástico. Este constituye la base para el cálculo de elasticidad.

%igura '.oung, como el factor num/ricoque relaciona las tensiones, σ, y las deformaciones, ε, en el campo elástico. 9e laexpresi)n '.: se deduce

E 6 σ 8 ε 6 tg α 0'.5!

&os valores medidos de E en los ensayos, figura '.?, son los siguientes

σ 6 *5++ g8


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%igura '.@. 9efinici)n de la zona plástica

El coeficiente de 4oisson es un indicador de la contracci)n transversalcuando la probeta se alarga longitudinalmente. El coeficiente de 4oisson es

parámetro básico en la teora de elasticidad cuando se restringen losalargamientos transversales.

'.:.SD$E &" FD-" 4&GSHI#"&a zona con cargas superiores a las correspondientes al lmite elástico, se

caracteriza por

a!(ayor sensibilidad a los alargamientos para el mismo incremento de carga. En efecto, las pendientes a la curva, figura '.@, son siempre inferiores al m)dulo de >oung, E.

E* 6 0dσ8dε!* == E ⇒ tg α* == tg α 0'.

b!&os alargamientos conseguidos son remanentes, es decir, no se recuperan cuando cesa elesfuerzo, como se muestra en el punto c del desarrollo.

"mbas caractersticas se cumplen en todo el campo de tensiones superioresal lmite elástico lo que significa la denominada zona plástica.

&a respuesta plástica de un material metálico, se identifica por el carácterremanente de la deformaci)n, ε, que determina valores del m)dulo virtual E* muyinferiores al de >oung E.

2.4.1 DETERMINACIÓN DE LA TENSIÓN DE ROTURA.El punto de máxima resistencia corresponde al máximo absoluto de % de la

curva registrada %3∆&. En el diagrama σ−ε este punto viene determinado por

σm 6 $ 6 %m8S+ 0'.?!εm 6 0&m 3 &+!8&+ 0'.@!

http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm02/Im%E1genes/Fig%202.9.gifhttp://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm02/Im%E1genes/Fig%202.9.gif


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&a tensi)n máxima sm es la denominada tensi)n de rotura o carga de rotura,$, y se deduce a trav/s de la secci)n nominal S+ ya que hasta ese momento delensayo, la secci)n de la probeta, aunque ha disminuido según deformaba elmaterial, puede considerarse constante.

4ara el material ensayado se ha encontrado el valor de carga de rotura

siguiente

$ 6 2::: g8


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En el caso ensayado obtenemos

∆&r 6 *' mm."r 6 0*'85+!*++ 6 ': K

%igura '.**. 9uctilidad dada por a! alargamiento de rotura y b!estricci)n.

4odemos observar en la norma E- *++'5 que el acero "E 255, que tiene

mayor lmite elástico y tensi)n de rotura que el ensayado "E '25, dispone de unnivel de alargamiento muy inferior al citado "E '25, lo que significa unarespuesta más plástica o dúctil en este último.

Ln hecho singular durante el ensayo, especialmente en el acero "E '25, esla reducci)n localizada, estricci)n, en un punto de la secci)n a partir del punto enel que se alcanza el máximo de carga %m. o mejor, el inicio de la estricci)n indicael máximo de la carga que puede aplicarse. Si medimos como Sr la secci)n últimafracturada, el valor de la estricci)n máxima Σ, según la definici)n dada, esexpresado, en tanto por ciento, por

Σ 6 0S+ 3 Sr !8S+ *++ 0'.**!

En el caso ensayado

dr 6 5.5 mm.Sr 6 π 5.5'8: 6 '2.


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&a energa aplicada, Ea, a la probeta en cada momento del ensayo, i, vienedeterminada por la expresi)n

0'.*'!

y en la carga máxima, Em, donde adquiere ∆& 6 ∆&m

0'.*2!

#orresponde al área del diagrama %3∆l que ha sido rayada en la figura '.*'.

%igura '.*'. Henacidad del material obtenida en el ensayode tracci)n.

Ea 6 "rea0+3∆&m! 0'.*:!

4odemos tambi/n calcular la energa unitaria, por unidad de volumen, en laforma

E+m 6 Em8B 0'.*5!

en unidades o (4a.

Siendo el volumen ensayado,

B6 S+ &+ 0'.*7!

tendremos

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0'.*

y siendo

∆&m8&+ 6 εm 0'.*?!dl8&+ 6 dε 0'.*@!

tendremos

0'.'+!

lo que significa el área rayada en el diagrama σ−ε con unidades .

Si realizamos la evaluaci)n de la energa E+m en el acero ensayado "E '25,encontramos

E+m 6


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resistencia última de la probeta, pues a partir de este punto aparece el procesoirreversible de fractura ubicada en la secci)n que aparece la estricci)n. Sinembargo, cualitativamente, la estricci)n Σ, variable normalizada, es un indicadordirecto de la tenacidad de un material al estar correlacionada con el alargamientoadicional ∆&r 3∆&m.

&os materiales más tenaces muestran valores de estricci)n más elevados.Es importante, no confundir la tenacidad de un material con la tensi)n de

rotura, σr , o resistencia últimaJ pues la energa de rotura es funci)n no solamentede la tensi)n de rotura, σr , sino tambi/n del alargamiento, εr , y en muchosmateriales σr y εr suelen estar correlacionados de forma inversa, de manera que

procesos que aumentan σr , por lo general provocan una disminuci)n más fuertede las deformaciones εr , con lo que el computo de la energa de rotura disminuye.

'.5. HE-SIP- > 9E%D$("#ID-ES $E"&ES.

&a disminuci)n en la tensi)n necesaria para continuar la deformaci)n unavez superado el máximo, punto m de la figura '.5., parece indicar que laresistencia a la deformaci)n plástica disminuye. 4ero, en realidad, ocurre todo locontrario. -o obstante, el área de la secci)n disminuye rápidamente dentro de laestricci)n, que es donde ocurre la deformaci)n. Esto produce una disminuci)n enla capacidad de la probeta para soportar una carga. &a tensi)n, se obtiene con elárea de la secci)n inicial antes de que el material comience a deformarse, sintener en cuenta la disminuci)n de área de la estricci)n.

En ocasiones tiene más sentido utilizar curvas de tensi)n3deformaci)nreales. &a tensi)n real σH se define como la carga dividida por le área de lasecci)n instantánea "i sobre la cual ocurre la deformaci)n 0 por ejemplo, laestricci)n, una vez pasado el máximo!, o sea,

σH 6 % 8 "i 0'.'*!

"demás en ocasiones tambi/n es más conveniente representar ladeformaci)n real εH, definida por

εH 6 ln 0 li 8 l+! 0'.''!

Si no ocurre cambio de volumen durante la deformaci)n, o sea, si

"i li 6 "+ l+ 0'.'2!

&as tensiones y deformaciones reales están relacionadas con las nominalesmediante


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σH 6 σ 0 * Q ε! 0'.': a!εH 6 ln 0 * Q ε! 0'.': b!

Estas ecuaciones anteriores son válidas solamente al comienzo de laestricci)nJ a partir de este punto la tensi)n y la deformaci)n reales deben sercalculadas a partir de las medidas de las cargas, secciones transversales ylongitudes de prueba reales.

%igura '.*2 #omparaci)n de las curvas tpicas de tracci)nnominales 0tambi/n denominadas de ingeniera! y reales 0tambi/ndenominadas verdaderas!. &a estricci)n empieza en el punto ( enla curva nominal, lo cual corresponde al punto (R sobre la curvareal. &a curva de tracci)n corregida toma en consideraci)n elestado complejo de tensiones dentro de la regi)n donde se formala estricci)n.

En la figura '.*2. se comparan las curvas de tracci)n nominales 0o deingeniera! con las reales. -)tese que la tensi)n real necesaria para aumentar ladeformaci)n continúa aumen3tando una vez superado el punto (R.

#oincidiendo con la formaci)n de la estricci)n se origina un estadocomplejo de tensiones en la zona 0 es decir, existen otras componentes de latensi)n además de la axial!. 4or consiguiente, la tensi)n axial correcta en laregi)n de la estricci)n es ligeramente menor que la calculada a partir de la cargaaplicada y del área de la secci)n de la estricci)n. Esto conduce a la curvacorregida de la figura '.*2.

En algunos metales y aleaciones, la regi)n de la curva real tensi)n3

deformaci)n más allá del lmite elástico hasta el punto en que comienza laestricci)n puede aproximarse mediante

0'.'5!En esta expresi)n 1 y n son constantes, cuyos valores varan de una aleaci)n

a otra, y tambi/n dependen de las condiciones del material 0o sea, de si ha sidodeformado previamente, o tratado t/rmicamente, etc.!. El parámetro n es amenudo denominado exponente de endurecimiento por deformaci)n y tiene unvalor menor que la unidad. En la tabla '.*. se dan los valores de 1 y n paraaleaciones.

H"&" '.*. Balores de n y 1 0 ecuaci)n '.'5! para varias aleaciones.

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correspondencia con las deformaciones sufridas.El ensayo de fluencia se realiza habitualmente según el procedimiento, que

se comenta a continuaci)n, que considera el objetivo de correlacionardeformaciones, ∆&, y tiempos, t, para una carga, %, y temperatura, H, constantes0#$EE4!. Es el siguiente

2.* 4$D#E9I(IE-HD 9E %&LE-#I" 0#$EE4!.

a!(arcar la longitud de la probeta con dos granetazos separados l + mm.

b!(ontar la probeta en las mordazas de la prensa y en el interior del horno de calentamiento.

c!Efectuar la elevaci)n de temperatura hasta alcanzar la temperatura de ensayo, H e.

d!Elevar la carga de la prensa hasta el nivel requerido, % i, en el que se obtiene respuesta defluencia en el material, y mantener la carga hasta la fractura.

e!$egistrar para cada ensayo la sucesi)n de los valores de las variables % i, ∆&, He y t.

f!$epetir el ensayo para otras combinaciones de las variables He y %i.

En la figura '.*5 se representan los registros de los parámetros ∆& funci)ndel tiempo de ensayo, para cada carga de ensayo constante, % i, y temperatura deensayo igualmente constante, Hi.

%igura '.*5. #urvas de fluencia para el

acero "E'25 con % 6 *' 1- .

Se utiliza como probetas, las especificadas en el ensayo de tracci)n, acero"E'25, con una longitud inicial &+ 6 '++ mm, sometida a la temperatura Hi.



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2.'. E-S">D 9E $E&";"#IP- 9E HE-SID-ESLna alternativa del ensayo de fluencia 0#$EE4! es cuando se investiga las

correlaciones entre las tensiones y el tiempo para una temperatura y velocidad dedeformaci)n constante, ∆&8&+ 6 cte. Es el denominado ensayo de relajaci)n detensiones 0stress relaxation!. En este supuesto, el ensayo se realiza de formasimilar a la fluencia, sustituyendo a partir del punto d, en la siguiente forma

d!Elevar la carga de la prensa hasta el nivel requerido y variando de modo que se consiga lavelocidad de deformaci)n prefijada.

e!$egistrar en cada ensayo los valores de las variables % i, ∆&, He, t y dlR 6 d∆&8dt 6 cte.

%igura '.*7. $egistro de resultados en un ensayo derelajaci)n de tensiones.

En la figura '.*7 se describe la gráfica que correlaciona tensiones y tiempos

para un determinado nivel de velocidad de deformaci)n obtenido para el material polim/rico, polietileno de alta densidad, a temperatura ambiente.

2.2. SD$E E& E-S">D 9E %&LE-#I"

3.3.1. Corel!"#$ %e$&"#$'(e)or*!"#$ e$ )l+e$!"."nalizamos gráficamente la correlaci)n entre las tensiones, σ, y los

alargamientos, ε, para los parámetros He constante, durante todo el proceso del

ensayo y comparamos con la correlaci)n obtenida %3∆& en el ensayo de tracci)nanterior podemos establecer la correlaci)n gráfica σ−ε haciendo uso de lasexpresiones '.' y '.2 del ensayo de tracci)n, es decir

σ 6 % 8 S+ 6 *'++ 8


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εa 6 +.5 x '2 6 **.5 Kε b 6 +.5 x :+ 6 '+ Kεc 6 +.5 x 57 6 '? K

#on estas expresiones de cambio de variable pasamos a los

diagramas σ−ε representados en la figura '.*


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En fluencia la aplicabilidad de los materiales en servicio exige admitirdeformaciones permanentes.

3.3.3 Correl!"#$ -/&"! e$ )l+e$!"

" partir de la figura '.*? podemos establecer las correlaciones gráficas porlos cambios de variables de las expresiones '.' y '.2.

%igura '.*?. #orrelaci)n ε 3t para cada variable σ i y

H i de ensayo.

En la modelizaci)n se consideran como en la cuesti)n anterior los tres periodos

a!4rimario o transitorio, +3a. En /ste el gradiente de alargamientos es muy alto con cortaextensi)n del periodo. -o es interesante como aplicaci)n industrial su modelizaci)n.

b!Secundario, a3b. En este periodo las deformaciones mantienen una cierta linealidad con lostiempos de ensayo. Se establece

dε8dlnt 6 α 0'.'7!El modelo gen/rico al integrar la expresi)n '.'7 es

ε 6 ε+i Q α ln t 0'.'

c!erciario, b3c. Este periodo es irreversible hasta la fractura, luego no puede interesarnos masque la definici)n del punto b, punto que indica la máxima deformaci)n estable, εm, que escapaz de soportar el material.

En el proceso de fluencia, la mayor importancia sucede en el periododenominado secundario, caracterizado por la correlaci)n lineal entre lasdeformaciones y los tiempos, o sus logaritmos.

3.3.4.El *o(elo (e !/l!+lo e$ )l+e$!"#omo ya se ha citado, s)lo puede obtenerse aplicabilidad de la resistencia a

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fluencia cuando se admite el servicio de las piezas con deformaciones permanentes. Sin embargo, el diseOo puede o debe imponer una limitaci)n a lasdeformaciones permanentes que pueda tomar la pieza, εmax, las que obviamentedeben ser inferiores a las máximas del periodo secundario εm.

9esde aqu el diseOo define el tiempo máximo de servicio, tms, que la pieza puede estar en la máquina, despejando de la expresi)n '.'


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%igura '.*@. Ejemplo de cin/tica de cargaaplicada.

Entre los parámetros fundamentales que califican el comportamientocaracterstico ante la fatiga de los materiales están

" 3&a cin/tica de la carga aplicada en el tiempo, figura '.*@.

3Hipo de tensiones engendradas en la pieza, como consecuencia de la aplicaci)n de lacarga. Entre ellas citaremos

"xiales originadas por tracci)n o compresi)n.

"xiales originadas por flexiones. #ortantes causadas por torsi)n. #ombinadas.

# 3Hipo de trabajo caracterstico del conjunto de la pieza en la máquina. Entre elloscitamos

Hracci)n. %lexi)n plana. %lexi)n rotativa. Horsi)n.

El tipo de trabajo, tipo de tensiones y cin/tica de la carga determina una granvariedad de ensayos de fatiga.

Se consigue reducir esta gran variedad

a! -ormalizando la cin/tica de la carga a una aplicaci)n senoidal definida por la cargamedia, %m, la semiamplitud, %a, y la frecuencia, f, figura '.'+.

b!$educiendo los estados de tensiones de la probeta a los que suceden en los casosdescritos en #, tracci)n, flexi)n plana y flexi)n rotativa, para el tipo de probetaseleccionado.

%igura '.'+. #in/tica de la carga normalizada.

#ualitativamente, los resultados obtenidos en los tres tipos de ensayos, que

http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm02/Im%E1genes/Fig%202.19%20.gifhttp://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm02/Im%E1genes/Fig%202.19%20.gifhttp://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm02/Im%E1genes/Fig%202.20.gifhttp://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm02/Im%E1genes/Fig%202.19%20.gifhttp://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm02/Im%E1genes/Fig%202.19%20.gifhttp://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm02/Im%E1genes/Fig%202.20.gif


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corresponden a los tipos de trabajo, son muy similares, lo que nos permiteinvestigar los fen)menos de fatiga seleccionando un solo tipo de ensayo.

%igura '.'*. (áquina de fatiga de flexi)n rotativa.

Tuizás el más universal, por la sencillez de la máquina de ensayo, es el deflexi)n rotativa, que se representa en la figura '.'*. #onsiste en un motor quearrastra un eje giratorio, sobre el que se monta una probeta que queda envoladizo. Sobre este extremo volado, gravita una carga 4, la que se mantiene singiro por el rodamiento que las liga.

&a máquina para ensayos de fatiga debe permitir el control y registro de los parámetros de ensayo, siguientes

#argas aplicadas, %. #ontador de vueltas de la probeta, n. Belocidad angular, rpm.

:.* 4$D#E9I(IE-HD 9E E-S">D

a!Elaborar probetas cilndricas de acero "E '


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&a máquina de fatiga por flexi)n rotativa, trabaja a una velocidad nominalde 2+++ rpm.&a probeta de ensayo tiene las dimensiones siguientes, figura '.''

%igura '.''. 4robeta de fatiga.

& 6 *5 cm.d 6 *+ mm.% 6 variable.

&a tensi)n nominal máxima sn viene definida para el caso de flexi)n

σn 6 % &8U+ 0'.'@!

y el m)dulo resistente,

U+ 6 p d282' 0'.2+!

&a carga requerida es

% 6 p d2 σn82' & 0'.2*!

que corresponde para los ensayos propuestos, &e 6 '


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&os ensayos realizados con las tensiones nominales citadas, han dado losregistros de iniciaci)n de grietas ng y crecimiento de grieta nc, indicados en latabla '.2.

H"&" '.2. $esultados obtenidos en la experiencia.

:.'. SD$E E& E-S">D 9E %"HIV"4.2.1. L& !+r& (e oler.

Si analizamos la correlaci)n gráfica y analtica entre las tensiones aplicadasen los distintos ensayos, sn, y el número de ciclos transcurridos hasta lainiciaci)n de la grieta, ng obtenemos la correlaci)n gráfica que denomina la#L$B" 9E UWD&E$.

&a figura '.'2 establece la correlaci)n gráfica entre los parámetros sn y ngen el que se ha iniciado la grieta habiendo expresado este último en forma

logartmica.El modelo analtico de correlaci)n obtenido por el m/todo de mnimoscuadrados es el siguiente

σ 6 σf Q 0σ+ 3 σf ! e3 pXn 0'.2'!

con los valores para el acero "E '


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%igura '.'2. #orrelaci)n entre la tensi)nnominal y el número de ciclos en la aparici)n

de la grieta. #urva de Uholer.

&a curva de UWD&E$ describe lacorrelaci)n entre la tensi)n nominal s y el número de ciclos necesarios parainiciarse la grieta de fatiga, para unas condiciones de ensayo definidas.

4.2.2. L )+$!"#$ (el l*"%e (e )%".

En fatiga no puede decirse, como en el ensayo de tracci)n uniaxial, que ellmite elástico es la máxima tensi)n de la zona en la que no existe deterioro

permanente.En servicio de fatiga con tensiones de lmite elástico, su servicio está

limitado a un número de ciclos de n Y*+5. Incluso con tensiones inferiores sigue produci/ndose la iniciaci)n de la grieta, predecesora de la rotura, como hemosobservado en la correlaci)n de la figura '.'2.

El campo elástico es, en forma general, sensible al deterioro por servicio defatiga, cargas cclicas. Se llega al agrietamiento aún con tensiones muy inferiores

al lmite elástico.

4.2.3. El !o$!e%o (e l*%e (e )%"

El comportamiento general de los materiales en fatiga es que, para cualquiernivel de tensiones, siempre encontramos un número de ciclos que nos producenla fractura. -o obstante, cuando el número de ciclos es tan grande como ? x *+7,lo que supera con creces el servicio previsto para una pieza, podemos suponerque su vida es infinita. Este es el concepto que se define como tensi)n lmite de

fatiga. -o obstante, existen algunas excepciones a este concepto general, como en

los aceros templados, en los que s parece encontrar la curva de Uholer un valorasint)tico en las tensiones, lo que se identifica como su lmite de fatiga.

En forma general, un material sometido a fatiga se agrieta para un númerode ciclos suficientemente alto. En forma excepcional, algunos materiales m-H%"#E6ZSymbolZ[sn6 ?'.5 (pa. ! Secci)n fracturada sn 6 ''+ (pa.



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&a zona pulida con estriaciones es indicador del inicio de grieta y sedesarrolla de acuerdo con el proceso de crecimiento de grieta. &a secci)n

brillante, con planos intersectantes corresponde a la fractura final de la probeta,en est

RESILENCIA Jose


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Es el ensayo para ponderar la resistencia al choque en las condicionesespecificadas en el mismo, las que son condiciones fragilizantes del material. &aresistencia al choque es una medida de la tenacidad de un material, la que sedefine como la capacidad de absorci)n de energa antes de aparecer la fracturasúbita.

%igura '.'7. Esquema del p/ndulo #harpy

En el ensayo de tracci)n uniaxial fue cuantificada la tenacidad por la energaabsorbida por el volumen de la probeta hasta alcanzar la carga de máximaresistencia, 4r . #orresponde a la tenacidad en condiciones de velocidad deaplicaci)n de carga calificada como pequeOa, casi nula. (ayores velocidades deaplicaci)n de la carga influyen con menores medidas de tenacidad.

En todos los ensayos los parámetros controlados están influidos por las

condiciones que definen el ensayo forma y tamaOo de la probeta, temperatura,velocidad de aplicaci)n de la carga, etc. En el caso de la medida de la tenacidadla influencia de estos parámetros externos o internos es todava más evidente queen otros ensayos. 4or estas circunstancias pueden existir diversos ensayosdefinitorios de la tenacidad. En el que observaremos en este capitulo es eldenominado de resiliencia, sin menoscabo de otros que ponderan la tenacidad encondiciones diferentes como en el caso de los ensayos 1 I# que se analizan en elsiguiente apartado.

&a condici)n fundamental que determina el ensayo de resiliencia es lavelocidad de aplicaci)n de cargas la que corresponde a la cada libre de una cargaligada a un p/ndulo. Lna máquina universalmente aplicada es el p/ndulo de#harpy que se esquematiza en la figura '.'7.

El p/ndulo #harpy dispone de una masa ( montada en el extremo del brazo, de longitud l, que pivota en el centro ". El ensayo de resiliencia consisteen golpear una probeta apoyada en s con la masa del p/ndulo que ha sidoabandonada en cada libre desde una altura prefijada W. &a energa absorbida, E a,

por la probeta para producir su fractura es la medida de la tenacidad del material

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en las condiciones del ensayo.&os parámetros primarios que definen el campo de resiliencia son

a!Belocidad de impacto en la probeta, v.

b!Energa cin/tica en el punto de alcanzar la probeta, Ec.

Estos parámetros son funci)n de las variables de ensayo del p/ndulo 0(, Wo a! a trav/s de las expresiones conocidas

v 6 0' g h!\ 6 M' g l 0*3cos α!N\ 0'.25!

Ea 6 g ( h 6 g ( l 0*3cos α! 0'.27!&a energa absorbida por la probeta en su fractura Ea se cuantifica por la

diferencia de alturas de la masa del p/ndulo desde su posici)n inicial 4 y su posici)n final 4R, que forma un ángulo αR, despu/s de efectuar la fractura. Si sedesprecian resistencias pasivas, la energa absorbida viene definida por

Ea 6 g ( l 0cos αR 3 cos α! 0'.2

&as probetas pueden ser de formas variables. Estas definen por si mismas

tipos de ensayo como el #harpy en L o en B, Izod, 9B(, etc. Esto esconsecuencia de la fuerte incidencia que la forma de la probeta induce en laenerga unitaria absorbida en la fractura.

%igura '.'


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Su variabilidad es determinada por los parámetros siguientes

a!%orma de la entalla que se le practica en el centro de la barreta prismática. En la figura '.'< seobservan diversas formas de entalla que han sido aprobadas por normativas oficiales E-,

"SH(, etc.

b!Hipo de apoyo de la probeta en el p/ndulo, utilizándose

*3 9os apoyos en los extremos, probeta biarticuladaJ por ejemplo el ensayo #harpy. '3 Empotramiento en un extremoJ por ejemplo el ensayo Izod.

5.* 4$D#E9I(IE-HD 9E E-S">D

%igura '.'?. "lzado de probeta de resiliencia.

a!Elaborar probetas de acero dulce "E '25 con dimensiones norma3lizadas E- *++:53*, figura'.'?, y entallas siguientes4* 3 Entalla en B, radio de fondo +.'5 mm, *5 unidades.

4' 3 Entalla en B, radio de fondo +.5+ mm, 2 unidades.42 3 Entalla en B, radio de fondo +.


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El ángulo ] formado por las dos medias probetas fracturadas, al juntar sus seccionescomplementarias.

&a secci)n media de fractura aRxbR. &a morfologa de las secciones fracturadas, diferenciando

Fona brillante cristalina.

Fona gris.

Se realizan los ensayos de resiliencia de acuerdo con las variables que seincluyen en la tabla '.:.

En la tabla '.5, se anotan las medias de cada tres probetas de las medicionesrealizadas en los ensayos con variables αi, 4i, Hi.

E-S">D -^ * ' 2 : 5 7 <

"-VL&D αi 7+ @+ *'+ *'+ *'+ *'+ *'+

4$DEH" 4i 4* 4* 4* 4' 42 4* 4* HE(4E$"HL$" Hi '+ '+ '+ '+ '+ + 3'+

H"&" '.:. Serie de ensayos de resiliencia a realizar

H"&" '.5. $esultados de los ensayos de resiliencia #harpy.

0.2.SOBRE EL ENSAYO DE RESILENCIA

0.2.1. CALCULO DE LA RESILIENCIA.Hal como se define la resiliencia puede expresarse /sta como la relaci)n

entre la energa absorbida por unidad de superficie fracturada Sf comoρ 6 Ea8Sf 6 g ( l 0cos αR 3 cos α!8aXb 0'.2?!


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%igura '.'@. #orrelaci)n gráfica entre la resilienciay la velocidad de aplicaci)n de la carga.

En el p/ndulo #harpy empleado, g ( 6 *7 1g y l 6 * m. El resto devariables están especificadas en el cuadro de resultados. &as unidades usuales sonde energa por unidad de superficie, 1gm8cm', (4aAm, o equivalentes.

En el cuadro de resultados, en el apartado de resultados calculados, seespecifican las resiliencias halladas para cada probeta.

0.2.2. INFLUENCIA DE LA 5ELOCIDAD DE APLICACION DE LACAR6A.

Si establecemos la correlaci)n gráfica entre las resiliencias obtenidas con probetas #harpy en B, 4*, y la velocidad de aplicaci)n de la carga y a trav/s de laexpresi)n '.25 calculamos la velocidad de aplicaci)n de la carga empleada en losensayos * a 2. 4ara los parámetros del p/ndulo, la expresi)n toma la forma

vc 6 M' x @.?* x * x 0*3cos α!N\ 0'.2@!

cuyos resultados para los diferentes valores de α se han indicado en la fila vc dela tabla de resultados.

En la figura '.'@ se representa en orde3nadas la resiliencia ρ y en abscisaslas velocidades de aplicaci)n, vc, encontrándose una correlaci)n inversa entreambos parámetros.

&a influencia acusada de la velocidad de aplicaci)n de la carga sobre laresiliencia de un material obliga a fijar la velocidad de impacto para que losresultados obtenidos en distintos materiales sean comparables.

En la norma E- *++:53* se fija la velocidad entre 5 y 5.5 m8s,correspondiente a una altura de cada libre de *.'< metros.

0.2.3. INFLUENCIA DE LA ENTALLA.



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%igura '.2+. correlaci)n de la resiliencia con el

radio del fondo de entalla.

#omo puede observarse en la tabla '.5, las probetas de resiliencia 4*, 4' y 42 tienen una secci)n mnima de fractura ? x *+6 ?+ mm', diferenciándose exclusivamente en el radio del fondo de entalla.

En la figura '.2+ se gráfica la correlaci)n entre las resiliencias encontradas para las probetas 2, : y 5, rotas en ensayos a '+^# y velocidades de 5 m8s, conrelaci)n a los radios de fondo de entalla r e, único parámetro variable en estos tresensayos.

Se observa la fuerte influencia sobre la resiliencia que ejerce la disminuci)ndel radio del fondo de entalla, por efecto desfavorable de la concentraci)n detensiones.&a notable influencia del radio del fondo de entalla sobre los valores deresiliencia medidos, es la causa del riguroso control que exige la norma deresiliencia para que los resultados obtenidos sean comparables.

4or la norma E- *++:53* se establecen tres tipos de probetas según laentalla

a!En forma de B, radio de fondo r e 6 +.'5 mm.

b!En forma de L, radio de fondo r e 6 * mm. c!En forma de herradura, con radio de * mm y ancho máximo *.7 mm.

0.2.4. LA INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA.Si establecemos la correlaci)n gráfica entre las resiliencias obtenidas con

probetas tipo #harpy en B, r e 6 +.'5 mm y la temperatura de ensayo He, paracondiciones invariantes de la velocidad de aplicaci)n de la carga, encontramosque los ensayos 2, 7 y < recogen los resultados realizados en las condicionesexpuestas en la cuesti)n invariancia del radio de entalla y de la velocidad de

aplicaci)n de la carga y variaci)n de la temperatura de ensayo, He. &a figura '.2*muestra la correlaci)n gráfica entre la resiliencia ρ y la temperatura He.



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%igura '.2*. #orrelaci)n de la resiliencia, r, con latemperatura de ensayo, H e, para probetas #harpy B,

r e 6 +.'5 mm y v c 6 +.5 m8s.

Se observa una cada brusca del nivel de resiliencia entre + y 3'+# para elacero ensayado "E '25 y resto de condiciones de ensayo, hasta el punto de

presentar un comportamiento totalmente frágil."lgunos materiales, como el acero, presentan una fuerte disminuci)n de la

resiliencia cuando se desciende a determinados niveles de temperatura. Este

hecho justifica la exigencia de las normas L-E sobre el nivel de resiliencia atemperaturas especificadas por el servicio, habitualmente a '+^#, +^#, 3'+^#,3:+^#.

0.2.0. FORMAS DE LAS SUPERFICIES DE FRACTURA.

Se diferencian las dos formas, como las más caractersticas de la fractura a!cristalina brillante, con planos geom/tricos. b! %ibrosa, mate.

%igura '.2'. Secci)n fracturada. "! Superficie cristalina, S b. ! Superficie gris,S g .

En todas las secciones de fractura aparecen claramente diferenciadas las dos

formas de fractura citadas. En la fotografa de la figura '.2' se observan ambassecciones con la distribuci)n de la superficie ocupada por la parte brillante, S b, yla superficie gris, Sg.

&a situaci)n de las dos superficies es la que corresponde a la fotografa lasuperficie cristalina, S b, interior a la superficie fibrosa, Sg.&a relaci)n entre la secci)n cristalina o fibrosa respecto a la secci)n total de

fractura, se ha indicado en el cuadro de resultado. Se observa como esta proporci)n es distinta para cada uno de los ensayos.

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0.2.7. CAUSAS DE LAS ALTAS Y BA8AS RESILIENCIAS.El ensayo con menor resiliencia es el n^ < que corresponde a las condiciones

de temperatura He 6 3'+^# y mnimo radio de fondo r e 6 +.'5mm.4odemos observar que es la que dispone de mayor superficie de fractura

brillante tipo cristalino, y complementariamente menos de tipo grisáceo.

El ensayo con mayor resiliencia es el n^ 5, para condiciones de temperaturaHe 6 '+^#, máximo radio de entalla r e y mnima velocidad de ensayo vc. Hambi/n

puede observarse que a esta probeta le corresponde el valor de menor superficiede fractura brillante, cristalina, y complementariamente mayor de la fractura deltipo grisáceo.

&as fracturas de tipo cristalino se alcanzan con baja absorci)n de energa.&as fracturas del tipo grisáceo, textura leOosa, muestran la mayor absorci)n deenerga o resiliencia.

0.2.9. CAUSAS DE LA RESPUESTA DE RESILIENCIA." partir de los datos establecidos en la tabla, ρ y Sg pueden representarse en

ordenadas y abscisas respectivamente. &a figura '.22 muestra esta correlaci)n.

%igura '.22. %unci)n de correlaci)n de laresiliencia, ρ , con la secci)n fibrosa, S g .

Se observa el alto grado de correlaci)n entre laresiliencia ρ y la secci)n fibrosa Sg. Ello nos permite pronosticar

a!Tue el aumento de la resiliencia está condicionado al aumento de la secci)n fibrosa. b!Tue la secci)n cristalina no influye en la tenacidad del material.

&a resiliencia de un material está determinada por la secci)n de fracturadúctil resultante.

0.2.:. INFLUENCIA DE LA DUCTILIDAD.Si establecemos la correla3ci)n gráfica entre la reducci)n de secci)n, Su, en

la fractura, y la del ángulo ] despu/s de la fractura, con la resiliencia,encontramos que la reducci)n de secci)n aR x bR 6 Su y el ángulo ] formado porlas semiprobetas despu/s de la fractura son indicadores de la plasticidad delmaterial. Este establecimiento de la correlaci)n entre estos parámetros y la

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resiliencia puede demostrar que el comportamiento dúctil es el que provoca elaumento de resiliencia, ρ.

%igura '.2:. #orrelaci)n entre la resiliencia y la

reducci)n de secci)n, y el ángulo β

En la figura '.2: se establece la correlaci)n entre la reducci)n de la secci)nSu8S y ] con la resiliencia.

Se desprende de la alta correlaci)n alcanzada que las altas resiliencias son proporcionadas por estructuras de comportamiento dúctil.

4or conexi)n con lo explicado anteriormente, decimos que las seccionesfibrosas de fractura son indicadores de un comportamiento del tipo dúctil delmaterial.

&as velocidades altas de impacto, los altos concentradores de tensiones y las bajas temperaturas influyen en un comportamiento no dúctil, frágil, del material.

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FRACTURA Eduardo

El ensayo de fractura tiene por objetivo determinar las condiciones crticas que permiten la fractura súbita de una pieza que se somete a tensiones uniaxiales. Elensayo de fractura es básicamente igual al de tracci)n con la variaci)n de laforma de la probeta y de los resultados buscados. "s pues, la máquina de ensayoes una prensa hidráulica con las mismas caractersticas de la de tracci)n y conregistro de los parámetros a! fuerzas aplicadas, b! dimensi)n de grieta de la

probeta.&a probeta del ensayo a fractura se indica en la figura '.25, as como su

montaje en las mordazas de la prensa de tracci)n.&a probeta, según norma "SH( E2@@3?*, dispone de una muesca

mecanizada y una ampliaci)n de la grieta, conseguida mediante fatiga axial, loque define una dimensi)n de grieta inicial de ensayo de un valor ZaZ.


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%igura '.25. Esquema de la probeta para ensayo afractura.

&a actuaci)n de fuerzas axiales, %, origina el crecimiento de la grieta ZaZ en primera fase de forma estable, pues aquella crece en relaci)n con el crecimientode las fuerzas, y por último de forma inestable o súbita, pues la pieza se rompe a

velocidad del orden de la del sonido.&a causa del avance de la grieta es el incremento de tensiones existente en elfondo de la grieta con relaci)n a las tensiones nominales inducidas por la fuerza%. Lna representaci)n de estos aumentos de tensi)n se observa en la figura '.27.

&a intensidad de la tensi)n en el extremo de la grieta, causa de sucrecimiento, es funci)n tanto de la tensi)n nominal, σ, como de la dimensi)n dela grieta existente, ZaZ. Se define un parámetro indicador de la intensidad detensiones, denominado factor de intensidad de tensiones 1 I#, definido por laexpresi)n

0'.:+!que observa el comportamiento caracterstico cuando se alcanzan las condicionescrticas, crecimiento inestable de la grieta, cuando se alcanza el valor máximoac para una tensi)n aplicada de rotura, σc, o de la invarianza de /sta, factor quedenominamos como 1 I# o tambi/n tenacidad de fractura. En este supuesto secumple

0'.:*!

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%igura '.27. a! Entalla superficial. b! Entalla cerrada. c! $epresentaci)n delaumento de tensiones en fondo de entalla.

7.* 4$D#E9I(IE-HD 9E E-S">D a!Elaborar probetas de aleaci)n de aluminio, "" DEn la figura '.2< se observa la representaci)n de fuerzas, %, y dimensi)n de

grieta, a, para el ensayo de tenacidad de fractura, y en la tabla '.7 losresultados, σc y ac, obtenidos para las distintas probetas

%igura '.2


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H"&" '.7. $esultados del ensayo defractura.

DUREA J!air

9esde el punto de vista fsico se define la dureza como la resistencia que oponenlos cuerpos a ser rayados o penetrados por otros con los que se compara.

&a #iencia de los (ateriales restringe algo más el concepto para definirlocomo la resistencia, cuantificada, que opone un cuerpo a la penetraci)n de otro


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cuerpo más duro.ajo esta definici)n la cuantificaci)n de la dureza se realiza en base a la

medici)n de los parámetros de una huella, de tal modo que dureza, δW, ydimensi)n de huella, h, estarán correlacionados inversamente. Es decir

δW 6 f 0*8h! 0'.:'!

9esde este punto de vista un ensayo de dureza es un ensayo de compresi)nhasta la rotura, cuyas formas de fractura es funci)n del penetrador. Existe otroconcepto de dureza y es el que se refiere a la capacidad de devoluci)n de energaelástica que tienen los cuerpos. Es conocido que, de forma relativa para undeterminado material, la capacidad de devoluci)n de energa elástica, δEe, estácorrelacionada directamente con el grado de endurecimiento, gW, es decir

δEe

6 f0gW! 0'.:2!Existen ensayos de dureza basados en este principio, devoluci)n de energa,

que recoge la informaci)n aportada por el ensayo de tracci)n, s)lo, en su periodoelástico. Es el ensayo SWD$E que desarrollamos en esta unidad.

RESUMEN

" trav/s del desarrollo de las experiencias sobre los ensayos en el campo de lascargas estáticas, con o sin temperatura, se fundamenta la informaci)n quedebemos exigirnos extraer de los citados ensayos para Entender las lneas del comportamiento de los materiales. Entresacar los parámetros básicos E, &e, que nos fundamentan el cálculo en elasticidad.


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"puntar la funci)n que parámetros como la tenacidad y alargamiento tienen en elcomportamiento en servicio.

9efinir los principios de diseOo y cálculo en fluencia. "nalizar las fracturas como indicador de comportamiento.

> todo ello, como una herramienta general que se aplica a la totalidad de losmateriales, según el servicio en condiciones estáticas sea a temperatura ambiente,tracci)n, o a altas temperaturas, fluencia.

9e igual forma hemos esbozado lo que significa el trabajo de una pieza enfatiga y clasificado los distintos tipos de fatiga normales, estableciendo losensayos de flexi)n rotativa que nos ha permitido intuir las propiedades para elcálculo en fatiga como &a determinaci)n del número de ciclos hasta la iniciaci)n de la grieta en fatiga. &a determinaci)n de la sensibilidad del material al avance de grieta.

&a identificaci)n de las superficies de fractura en conexi)n con las causas de sufractura.

Hambi/n se ha valorado la importancia de las caractersticas tenaces de losmateriales en el diseOo, estableci/ndose el concepto de tenacidad y uno de losdiversos modos de cuantificarlo, el ensayo de resiliencia.

" trav/s de las experiencias realizadas, se ha comunicado el por qu/ de larealizaci)n de los ensayos de resiliencia y se han establecido las correlacionesque la tenacidad del material mantiene con los parámetros, extrnsecos almaterial, de la aplicaci)n de la carga, siguientes

a!Belocidad. &a tenacidad mantiene una correlaci)n inversa con la velocidad deaplicaci)n de la carga.

b!Entalla. &a tenacidad observa una correlaci)n inversa con el grado de agudeza, radio defondo, y penetraci)n de la entalla.

c!Hemperatura. &a tenacidad sufre una disminuci)n brusca de valor cuando la temperaturadesciende por debajo de un cierto nivel umbral.

Dtra fuente de informaci)n de los ensayos de resiliencia, es el análisis de lassuperficies de fractura. Se han distinguido dos tipos fundamentales. &os deapariencia brillante, cristalina, de baja resiliencia, denominado de fractura frágil,

y los de apariencia fibrosa, gris, de alta resiliencia, denominado de fracturadúctil.Dtros indicadores de la fractura frágil o dúctil han sido analizados en las

cuestiones de la experiencia como son las zonas de reparto de ambas aparienciasde fractura, los ángulos ] de las semiprobetas despu/s de la fractura y ladisminuci)n de secci)n Su8S de la probeta fracturada. Hodos ellos correlacionadosde forma directa con la respuesta dúctil del material ensayado y obviamente de


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forma inversa con su respuesta frágil, antagonista de la respuesta dúctil.%inalmente, se han introducido los ensayos de dureza, haciendo especial

hincapi/ en los m/todos $I-E&& y $D#1UE&& para materiales de dureza baja o media. $D#1UE&& # para materiales de dureza alta.

BI#1E$S y SWD$E para todo tipo de materiales.

" trav/s de las cuestiones planteadas hemos analizado la posibilidad deinferir las propiedades resistentes de los materiales a partir de las durezasalcanzadas, lo que nos ha permitido concluir que&os ensayos de dureza permiten investigar las caractersticas resistentes de losmateriales, especialmente si Establecemos campos restringidos para cada m/todo y escala. 9isponemos de patrones que acoten el campo de durezas medido para cada aleaci)n. &os ensayos de dureza tienen una gran aplicabilidad a la determinaci)n del grado de

endurecimiento de un material por su

Sencillez.

Bariedad de m/todos y escalas.

ensayos del acero.docx

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