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UNIVERSIDAD DE MÁLAGA AREA DE CIENCIA DE MATERIALES Departamento de Ingeniería Civil, de Materiales y Fabricación
Se denomina dureza a la resistencia que un cuerpo opone a la penetración de otro
cuerpo más duro. La determinación de la dureza se hace generalmente por ensayos de
penetración. Estos consisten en producir una huella en el material que se ensaya aplicando
sobre éste un penetrador con una presión determinada. El índice de dureza se halla en
función de la presión que se ejerce y la profundidad o diámetro de la huella. Los métodos
más utilizados son los de Brinell, Rockwell y Vickers.
Los ensayos de dureza utilizan distintas escalas de medida según el método
utilizado. Los valores de dureza para un mismo material pueden ser muy diferentes en
función del método, por lo que es siempre necesario, para saber exactamente cual es la
dureza, especificar el tipo de ensayo con el que se ha realizado la medida. La dureza se
representa por la letra "H" seguida de la inicial de método utilizado, así por ejemplo para
indicar dureza Brinell, será: HB. En algunos casos serán tres letras las que representen la
dureza por existir distintas modalidades o escalas aun dentro del mismo ensayo, así en
ensayo Rockwell hay que especificar el tipo de escala, HRC, o HRB, etc.
Este ensayo mide una característica superficial y a veces muy localizada en una
pequeña zona del material, en contraste con el ensayo de tracción que ensaya una gran
cantidad de material. La dureza es una característica que tiene una estrecha relación con la
resistencia al desgaste, y con la resistencia mecánica en general. Aunque en algunos casos
se suponga una homogeneidad en el material, hay que tener en cuenta que la medida de
dureza es una medida puntual.
2.-METODO BRINELL.
El ensayo consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro
determinado, con una determinada fuerza P y durante un tiempo establecido, sobre el
material a ensayar y medir luego la huella que se ha producido. La medida de dureza se
obtiene en este caso por la relación entre la fuerza aplicada y la superficie de la huella
dejada por el penetrador. La dureza sin embargo no tiene unidades de kg/mm2, sino que se
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habla de puntos o unidades de dureza Brinell. Este ensayo data de 1900 y su presentación
original iba destinado a determinar la dureza del acero, la carga utilizada era de 3000 kg y
el diámetro de la bola de 10 mm. La determinación de la dureza es como sigue Fig. 1:
f D = S; )mm(kp/S
P=HB 2
)d-D-(D2
D = S;
2
)d-D-(D=f 22
22
siendo: D = diámetro de la bola y d = diámetro de la huella.
El tamaño de la bola es bastante grande, dejando una huella significativa en la
superficie del material, de esta forma no se podría medir la dureza en chapas finas, pues la
bola deformaría la otra cara de la chapa falseando por tanto la medida. En estos casos se
plantea la utilización de otros diámetros y otras cargas, con la condición de que los valores
de dureza así obtenidos sean los mismos con independencia del tamaño del penetrador y la
)d-D-(D 2
D
P = HB
22
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carga utilizada. Para que esto se cumpla las cargas aplicadas deben ser proporcionales al
cuadrado del diámetro de las bolas, para que la huellas obtenidas sean semejantes y los
resultados por tanto comparables, fig 2.
A la relación entre la fuerza aplicada en Kg y el diámetro (mm) al cuadrado del
penetrador, se la denomina constante de ensayo, la cual se ha de mantener siempre para que
el resultado sea correcto. Esta constante varía según el tipo de material a medir. A
continuación se muestran las constantes de ensayo para los metales más comunes.
MATERIAL
DUREZA BRINELL
F/D2
Acero
30
Fundición
< 140
10
> 140
30
Cobre y aleaciones
< 35
5
de cobre
35 a 200
10
> 200
30
< 35
1.25
2.50 Metales ligeros y sus
aleaciones
35 a 80
5
10
15
> 80
10
15 Plomo, estaño
1
1.25
El tiempo que debe durar el ensayo varía entre 30 segundos para el acero y 3
minutos para materiales muy blandos. El diámetro de la huella debe de estar comprendido
entre d=0.2D hasta 0.7D.
Símbolo de dureza Diámetro de la bola (D) mm
0.102 FD
2 Carga de ensayo (F) valor nominal
HBS(HBW) 10/3000 10 30 29.42 KN
16
HBS(HBW) 10 15 14.71 KN
HBS(HBW) 10 10 9.807 KN
HBS(HBW) 10 5 4.903 KN
HBS(HBW) 10 2.5 2.452 KN
HBS(HBW) 10 1.25 1.226 KN
HBS(HBW) 10 1 980.7 N
HBS(HBW) 5 30 7.355 KN
HBS(HBW) 5 10 2.452 KN
HBS(HBW) 5 5 1.226 KN
HBS(HBW) 5 2.5 612.9 N
HBS(HBW) 5 1.25 306.5 N
HBS(HBW) 5 1 245.2 N
HBS(HBW) 2.5 30 1.839 KN
HBS(HBW) 2.5 10 612.9 N
HBS(HBW) 2.5 5 306.5 N
HBS(HBW) 2.5 2.5 153.2 N
HBS(HBW) 2.5 1.25 76.61 N
HBS(HBW) 2.5 1 61.29 N
HBS(HBW) 2 30 1.177 KN
HBS(HBW) 2 10 392.3 N
HBS(HBW) 2 5 196.1 N
HBS(HBW) 2 2.5 98.07 N
HBS(HBW) 2 1.25 49.03 N
HBS(HBW) 2 1 39.23 N
HBS(HBW) 1 30 294.2 N
HBS(HBW) 1 10 98.07 N
HBS(HBW) 1 5 49.03 N
HBS(HBW) 1 2.5 24.52 N
HBS(HBW) 1 1.25 12.26 N
HBS(HBW) 1 1 9.807 N
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Cuando la dureza del material a medir es muy grande, la bola del penetrador se
deforma por la resistencia que ofrece el material dando por tanto valores erróneos de la
dureza. En estos casos se utilizan bolas de más alta dureza para evitar estas deformaciones.
No obstante este ensayo no es válido para aceros en estado de gran dureza. Los límites del
ensayo Brinell pueden expresarse mediante las siguientes durezas del material a ensayar.
Dureza Brinell máx. del material a ensayar Tipo de Bola
Bola de acero , no endurecida por deformación en frío. 450 HB
Bola de acero endurecida por deformación en frío. 500 HB
Bola de metal duro. 700 HB
3.-METODO VICKERS.
Este método se basa en el mismo concepto que el anterior, determinando la dureza
dividiendo la fuerza aplicada por la superficie de la huella dejada por el penetrador. Este se
desarrolló para intentar eliminar los problemas que plantea el método Brinell, como son:
no válido para materiales duros, utilización de distintas cargas y penetradores, no apto para
pequeños espesores, etc. Se utiliza como penetrador una punta piramidal de diamante de
base cuadrada y ángulo en el vértice entre caras de 136º. El ángulo de 136º fue elegido,
para que la dureza coincidiera con la Brinell. Al ser el penetrador de diamante no existe el
problema de deformaciones, sirviendo para medir cualquier material, pues la dureza del
penetrador será siempre superior. La forma de pirámide hace que los resultados sean
siempre comparables aun utilizando cargas distintas, pues las huellas son siempre
geométricamente semejantes.
Las cifras Vickers coinciden con las de Brinell hasta las 250-300 unidades, a partir
de estas cifras la dureza Vickers es siempre superior a la Brinell. La diferencia al principio
es pequeña pero es bastante grande para durezas elevadas. Esto es debido a la deformación
de la bola que falsea los resultados teóricos.
Este método se emplea en particular para piezas delgadas y templadas, con
espesores mínimos hasta de 0,2 mm.
Para determinar la dureza Vickers se utiliza la medida de las dos diagonales de la
huella producida, medidas con un microscopio en milésimas de milímetro, figura 3.
El número de dureza Vickers se define por la relación:
HP = P/S (Kp/mm2)
Entre la carga aplicada P y la superficie de la huella S. El valor de S en función de
la diagonal medida "l" de la huella es:
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S = 4 area (AVC)
S = 4!AC!VE/2
S = 4!AC!0E/(2!sen 68º)
S = 4!AC!(AC/2)/(2!sen 68º)
S = AC2/sen 68º
S = l2/(2!sen 68º) = l2/1.8544
HV = P/(l2!1,8544) (kp/mm2)
Para designar la dureza Vickers, se escribe la cifra obtenida seguida del símbolo HV
y de la carga empleada. Ej. 530 HV 50.
Por ser huellas semejantes, las cifras de dureza son independientes de las cargas,
que varían de 1 a 150 kp; las más corrientes son 1, 5, 10, 30, 100 y 150 kp. La más
utilizada es la de 30 kp.
4. METODO ROCKWELL
El ensayo Rockwell es distinto de los anteriores, aunque como ellos mide la dureza
basándose en la resistencia que oponen los cuerpos a ser penetrados, éste mide la dureza en
función de la profundidad de la penetración del cuerpo de ensayo, mientras que en el
Brinell se determina el área del segmento esférico por el diámetro de la impresión de la
bola. Además en los ensayos Brinell y Vickers, se aplica la carga de una sola vez mientras
que en Rockwell se aplican en dos etapas. Este ensayo tiene la ventaja de poder medir
directamente la dureza sobre una escala situada en la propia máquina, sin tener que hacer
operaciones o medir huellas muy pequeñas con la posibilidad de error que ello conlleva.
Actualmente existen gran cantidad de métodos Rockwell que se diferencian en
esencia por la forma y el material del penetrador empleado. No obstante son dos los más
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utilizados denominados "B" y "C". El método B utiliza como penetrador una bola de acero
de 1/16" y el método C utiliza un cono de diamante de 120º, figura 4.
En este ensayo hemos dicho que se mide la profundidad de la huella permanente,
producida al actuar una determinada carga sobre un penetrador de diamante de forma
cónica con una punta esférica, (para materiales muy duros) o sobre un penetrador de forma
esférica para materiales blandos.
Para realizar el ensayo se comienza por colocar una carga previa de 10 kp que pro-
vocara una huella de profundidad ho, después se hace actuar una carga adicional de 140 kp
para el Rockwell C, o de 90 kp para el Rockwell B, con lo cual la huella alcanzará una
nueva profundidad h1.
Después se retira esta carga adicional quedando únicamente la carga de 10 kp, por
tanto, el penetrador retrocede debido a la recuperación elástica del material y queda
solamente una profundidad permanente h, fig. 5.
El número que mide la dureza no esta ligado con la carga como ocurre con la
dureza Brinell, sino que es un número arbitrario pero naturalmente proporcional a la
penetración. Se determina deduciendo del nº 100, si se ensaya con diamante y del 130 si se
ensaya con bola, las unidades de penetración permanente medidas en 0,002 de mm. Esto se
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hace para que a los materiales más duros correspondan más unidades de dureza que a los
blandos y ocurrirá lo contrario si la dureza se diese por las unidades de penetración, o sea,
a más unidades el material seria más blando.
HRC = 100 - h
HRB = 130 - h
El espesor de la pieza a medir debe ser como mínimo 10 veces mayor que la
profundidad de la penetración.
Algunas ventajas del ensayo Rockwell son:
1- Es de aplicación universal, pudiéndose emplear para metales blandos como
duros.
2- Es de lectura directa, lo que evita el uso de microscopios o reglas, etc., anulando
errores personales de apreciación.
3- No hace falta un pulido perfecto de las probetas, como en el Vickers.
4- Es muy rápido de operar, pudiéndose hacer el ensayo completo en muy poco
tiempo.
5- La huella que deja después del ensayo es casi imperceptible, como en el Vickers,
no ocurriendo así con el Brinell que deja una huella suficiente para hacer inutilizable
una pieza.
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El ensayo consiste en someter a una barra de sección circular o rectangular, que recibe el nombre de probeta, a una carga de tracción que provoca el alargamiento continuo de la misma hasta que se produce su rotura. Las cargas se aplican con la suficiente lentitud como para que pueda considerarse que durante el mismo el material se somete a cargas estáticas. Los resultados del ensayo serán por tanto sólo aplicables, teóricamente, a piezas sometidas a este tipo de cargas.
En este ensayo se pueden determinar las siguientes características del material: - Límite elástico: aparente y convencional - Resistencia a la tracción - Alargamiento a la rotura - Estricción a la rotura - Módulo de elasticidad o de Young
Es evidente que la forma y dimensiones de la probeta, tienen gran influencia en el
ensayo, pues para una misma carga aplicada y un mismo material se alargará más una probeta de menor sección que otra más gruesa o una más larga que otra más corta (Figura 1). Para poder comparar los resultados de los ensayos, hay que establecer la relación entre la fuerza y la unidad de sección y entre la deformación y la unidad de longitud, con esto obtendremos características unitarias que podremos aplicar a piezas muy diferentes. FORMA Y DIMENSIONES DE LAS PROBETAS.
En el ensayo de tracción utilizaremos barras del material cuyas propiedades queremos determinar, estas reciben el nombre de probetas. Las probetas pueden ser de sección circular (materiales forjados, fundidos, barras y redondos laminados y planchas de gran espesor) cuadrada y rectangular (planchas y perfiles, así se pueden respetar las caras de laminación). Generalmente, constan de una parte central calibrada, que termina en ambos extremos en dos ensanchamientos o cabezas por donde la probeta es fijada por las mordazas de la máquina de tracción que se utiliza en el ensayo. El objeto de estas cabezas es, además de facilitar la
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sujeción por las mordazas, obligar a que al ser mayor la sección de las mismas la rotura se produzca por la zona calibrada.
En la figura 1, se representa el aspecto general de diferentes probetas. En todas es necesario un acuerdo suave entre la zona calibrada y las cabezas para evitar la concentración de tensiones que originaría el cambio brusco de sección. En la zona central calibrada se marcan dos puntos que definen una longitud L0 que se designa como distancia entre puntos y de la que se parte para realizar las medidas de los alargamientos.
Las características resistentes no están prácticamente afectadas por la forma de la probeta al definirlas en relación con la sección inicial de la misma, es decir, los valores obtenidos de tensión de rotura y límite elástico serán siempre comparables cualquiera que sea la forma de la probeta. Sin embargo, no sucede lo mismo con el alargamiento. Al iniciarse la deformación de la probeta las diferentes secciones de la misma disminuyen de área uniformemente, hasta que en un momento determinado del ensayo (que coincide con el de carga máxima), una determinada sección, que en ese momento será la más débil, disminuye ligeramente más que las demás. A consecuencia de esta disminución de área la carga total necesaria para seguir alargando la probeta disminuye, a pesar del incremento de carga unitaria en dicha sección, y, por tanto, las demás secciones de la probeta quedan descargadas y dejan de deformarse. A partir de este momento queda concentrado el alargamiento en la zona que disminuye de sección o estricción hasta el momento de la rotura.
De aquí que el alargamiento total después de la rotura está formado por dos partes, una el alargamiento uniforme, que se debe al inicial a lo largo de toda la probeta y otra, el alargamiento localizado, que corresponde a la zona de la estricción.
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Se observa que el alargamiento localizado en probetas de la misma sección inicial es independiente de la longitud inicial, y por lo tanto influirá más, unitariamente, en las probetas cortas que en las largas, dando aquellas una mayor cifra para el alargamiento total. En cambio, también se comprueba que para una misma longitud inicial, el alargamiento localizado es menor con una menor sección inicial, dando la de menor diámetro menor valor de alargamiento total.
Como la forma y dimensiones de la probeta influyen en las deformaciones que se producen, la norma UNE 36-40l-8l establece que la relación que debe de existir entre la distancia entre puntos L0 y el área de la sección recta inicial S0 debe ser una constante K=5,65
S K = L 00
En probetas rectangulares la relación b/a debe de estar comprendida entre 1,3 y 8. MAQUINA DE ENSAYO.
Máquina universal de ensayos: Son máquinas concebidas para ensayos de rotura de materiales. Estas máquinas tienen la ventaja de que se manejan con facilidad, permiten hacer ensayos rápidamente y son de construcción robusta e insensible a los esfuerzos bruscos que se producen en la carga y descarga. Se utilizan generalmente para ensayos de rotura por tracción y suelen ir equipadas con dispositivos complementarios para realizar otro tipo de
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ensayos, entre los que se pueden destacar: ensayos de compresión, ensayos de flexión y ensayos de plegado.
Todas las máquinas constan esencialmente de : - Un bastidor fijo al que se sujeta firmemente uno de los extremos de las probetas. - Una parte móvil sobre la que se aplicará la fuerza y a la que se sujeta el otro extremo de la probeta. - Un dispositivo capaz de producir el esfuerzo. - Un mecanismo que permita medir la fuerza aplicada - Un aparato para medir las deformaciones en la probeta.
Los tipos de máquinas se diferencian esencialmente en el sistema de transmisión y de
medida de los esfuerzos. Los esfuerzos pueden ser transmitidos mecánica o hidráulicamente. En las máquinas de transmisión mecánica la fuerza se aplica a través de un reductor (engranaje sin fin) accionado por un motor eléctrico que desplaza el bastidor móvil. En las máquinas de transmisión hidráulica la carga es aplicada por un émbolo impulsor accionado por aceite a presión y situado en la parte superior de la máquina, trasladando dicha fuerza al bastidor móvil. La carga se controla regulando la cantidad de aceite a presión suministrado por una bomba.
Todas las máquinas están equipadas con dispositivos de medición y control, de los dos parámetros: fuerza aplicada y alargamiento de la probeta. Para medir la fuerza aplicada en máquinas de transmisión mecánica suelen utilizarse dinamómetros electrónicos, la medición se hace por medio de un resorte que se deforma por acción directa (aparatos mecánicos) o indirecta a través de un émbolo movido por aceite a presión (émbolo de medida). En las máquinas hidráulicas suelen utilizarse transductores de aplicación directa, célula de carga. Las deformaciones pueden ser medidas o directamente por un extensómetro sujeto a dos referencias de la probeta o por separación entre las mordazas.
Las máquinas para ensayos de rotura a tracción tienen dispositivos de sujeción que, cambiando unos sencillos órganos intermedios denominados mordazas, presentan múltiples posibilidades de utilización. Las probetas se sujetan por sus extremos a los bastidores fijo y móvil, respectivamente, mediante las mordazas que impiden que se escapen o deslicen. Los distintos tipos de mordazas deberán adaptarse a la forma de la cabeza de la probeta. Dichas mordazas son accionadas por sistemas mecánicos movidos manualmente o mediante una bomba de aceite movida por un motor eléctrico. Con el fin de evitar posibles accidentes como atrapar una mano del operario con las mordazas, deberá prestarse especial atención en la colocación de las probetas.
Para los ensayos de compresión, típicos en materiales de construcción como el hormigón, es preciso prever una protección alrededor de la probeta que impida que en la rotura del material puedan ser despedidos trozos del mismo causando algún tipo de daño.
Las normas españolas establecen como recomendación general una verificación de la máquina de ensayo al menos una vez al año y siempre que haya duda razonable de su estado.
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DIAGRAMA DE TENSIONES Y DEFORMACIONES Todas las máquinas de ensayo están dotadas de dispositivos adecuados para medir las
cargas aplicadas sobre la probeta. Los alargamientos de las mismas coinciden aproximadamente con los desplazamientos de la parte móvil de la máquina. La propia máquina da un diagrama que relaciona los esfuerzos aplicados con los alargamientos absolutos producidos. A partir de dicho diagrama se obtiene la relación entre tensión y deformación conocidas la longitud y sección inicial de la pieza, mediante las siguientes relaciones:
L
L =
S
F =
00
"#$
El diagrama -! es mucho más representativo de las propiedades del material sometido a tracción, pues no depende de las dimensiones de la pieza.
En la figura 3 se representa el diagrama tensión-deformación para un acero de bajo contenido en carbono, que explicamos seguidamente. Al comenzar a aplicar el esfuerzo de tracción sobre la probeta se comprueba que, para tensiones crecientes, se obtienen deformaciones crecientes y que, hasta cierto valor de tensión, dichas deformaciones son proporcionales. El punto P indica el límite hasta el que se cumple la ley de proporcionalidad o ley de Hooke:
E#$ %
y a la tensión correspondiente a dicho punto se le llama límite de proporcionalidad, p. El coeficiente de proporcionalidad E (pendiente de la recta OP) es el módulo de elasticidad longitudinal o módulo de Young. Si durante el período elástico se descarga la probeta, la línea de descarga coincide con la línea de carga (sigue la misma línea PO), de forma que no hay deformación permanente.
Al aumentar el esfuerzo aplicado sobre la probeta, el diagrama deja de ser recto, presentando según el material de ensayo ciertas peculiaridades. En una primera zona (del punto P al punto E), siguen sin aparecer deformaciones permanentes, el punto E marca precisamente el paso del campo elástico al campo plástico. La tensión correspondiente a dicho punto recibe el nombre de límite elástico.
Pasado el punto E, las deformaciones siguen siendo muy pequeñas (dichos alargamientos unitarios son incluso inferiores al 0,1%) pero aparecen ya deformaciones permanentes. Esto ocurre hasta un punto F, a partir del cual las deformaciones aumentan rápidamente, estirándose el material sin que sea necesario aumentar los esfuerzos que se ejercen sobre la probeta. Este fenómeno recibe el nombre de fluencia y al valor correspondiente de la tensión F se le denomina límite de fluencia. En el caso en que la tensión no sólo se mantenga constante, sino que disminuya, cabe hablar de un límite superior de fluencia ( FS ) y un límite inferior ( FI ).
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A partir del límite elástico, al descargar la probeta, la línea de descarga (AB) no coincide con la de carga (OEFA). La longitud del segmento OB determina la deformación permanente o plástica, mucho mayor que la deformación elástica dada por el segmento BC. Si, cargada y descargada la probeta, en la que se ha producido la deformación permanente o residual descrita, volvemos a someterla a esfuerzos de tracción, prácticamente obtenemos la misma recta BA (en sentido inverso) y, al llegar al punto A y seguir cargando la probeta su representación será la curva AD, como si fuese prolongación de la curva anterior. De esta forma, aumenta el límite elástico del material a la vez que disminuye la capacidad de deformación (que se medirá a partir del alargamiento residual OB). Este proceso recibe el nombre de endurecimiento por deformación.
Pasado el escalón de fluencia o relajación, vuelve a ser necesario incrementar los esfuerzos ( y por tanto las tensiones) para aumentar las deformaciones. La curva presenta un máximo, punto R, al que corresponde el valor de tensión R, denominado tensión de rotura o resistencia a la tracción del material. Sin embargo, la rotura del material se produce realmente para una tensión menor dada por el punto U. Esta zona del diagrama donde las deformaciones son crecientes con cargas cada vez menores corresponde a la zona de la estricción, en una zona localizada de la probeta se produce una fuerte disminución de la sección que hace que la tensión (referida a la sección inicial) necesaria para romper la probeta, disminuya. Si refiriésemos la tensión a la sección instantánea de la probeta el valor de la misma, en lugar de reducirse (hasta el punto u), seguiría aumentando hasta la rotura. Sin embargo es práctica habitual, y así lo recogen las distintas normativas, determinar la tensión por el cociente entre el esfuerzo aplicado y el área de la sección transversal inicial S0 lo que justifica el diagrama obtenido.
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El diagrama descrito corresponde a un acero de bajo contenido en carbono (el utilizado en estructuras metálicas de edificación). Para otros materiales, la relación entre tensiones y deformaciones puede ser distinta, en muchos metales o aleaciones la primera zona del diagrama no es exactamente proporcional, por otra parte, la zona de fluencia no suele aparecer salvo para el caso de los aceros suaves recocidos y por último, el máximo de la curva no aparecerá si no se produce estricción.
REALIZACIÓN DEL ENSAYO
Una vez definida y elaborada la probeta, se procede a marcar la distancia entre puntos (L0) de acuerdo con la ley de semejanza de la Norma a que deba ajustarse. Dichas marcas se realizan sobre una generatriz de la probeta por medio de dos granetazos, de forma que quede centrada en la zona calibrada de la probeta, deben hacerse lo menos profundas posible para que no afecten al ensayo.
Se sitúa la probeta en la máquina, en la que, naturalmente, se habrán montado las mordazas apropiadas al tipo de probeta, con la precaución de que el eje de la probeta quede centrado en las mordazas y paralelo a la dirección de la fuerza de tracción. Abriendo las válvulas correspondientes se iniciará el desplazamiento del puente de tracción con una velocidad determinada independientemente de la tracción que esté aplicando.
Si bien la velocidad del ensayo no tiene prácticamente influencia sobre la resistencia a la rotura, puede tenerla en la determinación del límite elástico. La elección de la velocidad de aplicación de la carga dependerá de la probeta, valores apropiados son del orden de 1 Kg/mm2 por segundo.
Así como la lectura de cargas en cualquier momento puede hacerse sin dificultad en las escalas de la máquina, el alargamiento no puede tomarse, generalmente, hasta que se ha terminado el ensayo y se retira la probeta después de su rotura. El movimiento del puente de tracción que puede medirse por una escala que suele llevar la máquina, es solamente una indicación aproximada de lo que se deforma la probeta, pues está influenciado por el ajuste de las mordazas, efecto del ensanchamiento en las cabezas, acuerdos, etc. Si bien normalmente basta para la determinación del alargamiento la medida de la distancia entre puntos después de la rotura de la probeta, en caso de que sea necesaria una medición precisa y durante el ensayo, se recurre a extensómetros especiales. RESULTADOS DEL ENSAYO
Durante el proceso de carga de la probeta y tras la rotura de la misma deben realizarse varias mediciones características del ensayo efectuado.
En primer lugar, la determinación del límite elástico ( E) sólo puede determinarse
mediante un largo proceso de cargas y descargas sucesivas, midiendo en cada caso si se han producido o no deformaciones permanentes y aumentando, paulatinamente y para cada medición, el valor de la carga aplicada hasta que aparezca la deformación plástica. De esta forma diremos que el límite elástico es menor que la tensión para la que haya aparecido esa
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deformación. Ya que este procedimiento es lento y difícil, es práctica generalizada sustituir el límite elástico por el límite elástico aparente, el cual se considera, aproximadamente, igual al límite de fluencia. En los materiales que presentan escalón de fluencia es fácil esta determinación, ya que cuando da comienzo, la carga aplicada, aparentemente, deja de aumentar. Esta determinación es, en cualquier caso, difícil de obtener, sobre todo si el fenómeno de cedencia no se presenta o está muy poco marcado. Es más usual hacer esta medición a partir del diagrama -! obtenido determinando la tensión que produce una deformación permanente del 0,2% de la longitud inicial, dicho valor se conoce como límiteelástico convencional. En la figura 4, en la que se ha simplificado el diagrama y aumentado la escala de deformaciones, se indica el procedimiento utilizado; una vez determinada la carga F0,2 que produce un alargamiento "L=0,002L0, se obtiene la tensión 0,2 = F0,2 /S0.
Más fácil es la determinación de la tensión de rotura ( R), pues el valor máximo de
la carga aplicada se obtiene en forma clara y precisa, en cada ensayo realizado.
Una vez rota la probeta se efectúan dos mediciones sobre la misma, uniendo de la forma más exacta posible los dos trozos en que ha quedado dividida. Se calculan la variación de longitud o alargamiento de rotura y la disminución del área de la sección transversal de la probeta o estricción.
L
L-L = A
S
S-S =
0
0F
0
F0&
S0= Área de la sección inicial SF= Area de la sección final L0= Longitud inicial entre marcas L0= Longitud inicial entre marcas
El cálculo de la sección final se hará tomando la media aritmética de dos diámetros perpendiculares medidos en la sección de máxima contracción.
Si la probeta fuese prismática, la estricción adoptaría la forma indicada en la figura 5. Se considera como área de la sección final SF = bF x hF.
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Por lo que al alargamiento se refiere, el valor de alargamiento a la rotura se verá afectado por el valor de K, de forma que sólo son comparables los valores obtenidos con probetas proporcionales. Son probetas proporcionales aquellas que tienen la misma relación K entre la distancia entre puntos y la raíz cuadrada de la sección recta inicial. La constante K se denomina constante de proporcionalidad o semejanza, para hallar el valor del alargamiento con otra constante K podemos aplicar la ley de semejanza:
)k
k( =
A
A 0.4
i
j
j
i
El aspecto que presenta la rotura después del ensayo de tracción nos puede servir para determinar cualitativamente la ductilidad o fragilidad del material ensayado.
Podemos hablar de dos tipos de rotura claramente diferenciados: a) rotura plana b) rotura en copa y cono.
La primera se caracteriza por ser recta y perpendicular al eje de la pieza, tiene aspecto
cristalino y presenta el grano grueso y brillante. Este tipo de rotura es típico de metales frágiles que rompen de forma brusca tras el período elástico sin apenas sufrir deformación plástica, figura6.
31
La rotura en copa y cono es la que normalmente presentan los materiales dúctiles, y
suele estar precedida de grandes deformaciones plásticas. El aspecto del grano es fino y mate y de aspecto astilloso. La sección de rotura se caracteriza por la formación de las dos figuras antes aludidas copa y cono.
Los tipos de rotura no definen por completo el carácter dúctil o frágil del material ensayado, ya que esto va ligado o no a la existencia de deformaciones plásticas antes de la rotura. Pequeña estricción, pequeño alargamiento no indica que un material sea dúctil aunque presente rotura copa-cono. Distintos materiales o tratamientos presentan variaciones en las curvas de tracción, en la figura 7 se recogen algunos de estos.
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Departamento de Ingeniería Civil, de Materiales y Fabricación
El ensayo de tracción proporciona una información valiosa acerca del comportamiento de los materiales sometidos a cargas estáticas, sin embargo, la más elemental experiencia demuestra que la aplicación de cargas repentinas puede provocar la rotura prematura en materiales, que soportarían perfectamente elevadas cargas. Tal es el que caso de muchos metales y aleaciones que se fracturan de manera frágil. Las temperaturas bajas, los incrementos de deformación pronunciados y un estado triaxial de tensiones, tal como el existente en una entalla, favorecen la fractura frágil.
En los cristales metálicos e iónicos, la deformación plástica a temperaturas ordinarias tiene lugar mediante movimiento de dislocaciones. A una determinada temperatura, la tensión necesaria para mover una dislocación depende de la fortaleza del enlace en el material considerado, de su estructura cristalina y de los obstáculos que presente el cristal al movimiento de la dislocación, tales como átomos en solución, precipitados, límites de grano y otras dislocaciones. Por otra parte, la fractura frágil ocurre por la propagación de grietas que comienzan a moverse a una tensión crítica, dada por el criterio de Griffith para dicha propagación. La grieta debe ser lo bastante aguda para que exista una concentración de tensiones suficiente en su punta. Las grietas pueden estar inicialmente presentes en el material o producirse durante la deformación plástica. La aparición de flujo plástico o de rotura por propagación de grietas dependerá de cuál de estos dos procesos requiera la aplicación de una menor tensión.
A temperatura ambiente, cuando la velocidad de deformación es muy grande, los procesos de las dislocaciones activados no tienen tiempo suficiente para actuar y, por consiguiente, la tendencia a la aparición de la fractura frágil aumenta con la velocidad de deformación. Así un material puede ser dúctil en un ensayo lento de tracción, pero frágil en un ensayo de choque donde las velocidades de deformación son mayores en varios órdenes de magnitud. La introducción de una entalla en la muestra que se va a ensayar por choque aumenta su tendencia a la fractura frágil, debido a la concentración de tensiones que se
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origina en el vértice de la entalla. La peculiaridad del ensayo reside en la combinación del efecto de entalla con la
rapidez de aplicación de la carga. Ensayo de choque por el método Charpy.
Puesto que la tenacidad es una medida de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturarse, su determinación es importante en ingeniería cuando se considera la capacidad de un material para resistir un cierto impacto sin fracturarse. Uno de los métodos más sencillos de medida de la tenacidad es utilizar un aparato de ensayo de impacto. Un diagrama esquemático de la máquina aparece representado en la figura 1.
El ensayo consiste esencialmente en acumular energía potencial gravitatoria en una masa pesada, liberarla en forma de energía cinética y aplicar por choque esta energía a una probeta, especialmente diseñada. Conociendo la masa del péndulo y la diferencia entre su altura inicial y final, se puede medir la energía absorbida por la fractura.
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La energía consumida en la rotura de una probeta normalizada es una medida de la
tenacidad del material. Se conoce con el nombre de módulo de resiliencia, ', al cociente de la energía absorbida en el choque, W, dividida por la sección de la probeta, Ao, en la parte posterior de la entalla:
Los principales tipos de probetas normalizadas empleadas en los ensayos de choque se representan en la figura 2.
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Este ensayo de impacto puede ser usado en la determinación del rango de
temperaturas para la transición de comportamiento dúctil a frágil, en metales y aleaciones, a medida que la temperatura disminuye. En la figura 3 se representa el efecto de la temperatura sobre la energía absorbida en el impacto, en diferentes tipos de materiales, dicho efecto es especialmente importante en los metales de estructura cúbica centrada. Los metales de transición con estructuras CC, tienen una cierta direccionalidad en el enlace, la distorsión producida en el ángulo de enlace en la línea de la dislocación produce la aparición de unas fuerzas denominadas de Peierls, que constituyen una gran barrera al movimiento de las dislocaciones. Dichas fuerzas sólo son importantes a bajas temperaturas, a temperaturas elevadas las vibraciones atómicas eliminan el efecto de la distorsión del enlace, siendo otros factores los que pasan a controlar el movimiento de las dislocaciones. Los enlaces en estructuras CCC o HC, son suficientemente no direccionales cómo para que estas fuerzas tengan un efecto despreciable.