SEPARATA N 03 ENSAYOS COMPRESIN Y DUREZA APLICADOS EN METERIALES
METALICOSEN APOYO CURSO FRACTURA Y MECNICA DE FRACTURA
FECHACONTENIDO
UNIVERSIDAD NACIONAL JOS FAUSTINO SNCHEZ DE CARRIN
Mg. Ing METALURGISTA CIP N 144416 NICANOR MANUEL VEGA
PEREDA1313
13
ENSAYO DE COMPRESINENSAYO DE FATIGAENSAYO DE DUREZAENSAYO
BRINELLENSAYO VICKERSImportanteENSAYO ROCKWELLENSAYO KNOOPENSAYO DE
RESILIENCIAENSAYOS TECNOLGICOS
DESARROLLO1.1 ENSAYO DE COMPRESINAntes de continuar con el resto
de ensayos, debemos saber que las mquinas utilizadas para efectuar
ensayos de traccin disponen de un conjunto de accesorios
intercambiables que permiten la aplicacin de diferente tipo de
esfuerzos, pudiendo realizarse ensayos de distintos tipos:
compresin, flexin, plegado, cortadura, etc. Por este motivo, a
estos equipos se les conoce como mquinas universales de ensayo o
dinammetros universales. El ensayo de compresin es similar al de
traccin, aunque ahora la fuerza a que se ve sometida la probeta es
uniaxial en el sentido de comprimir el material, dando lugar a
acortamiento de la pieza y un ensanchamiento de la seccin. La
mquina de ensayos, como hemos dicho, es la misma que en el de
traccin.
El ensayo de compresin vara respecto al de traccin en que: El de
traccin est normalizado y el de compresin no.
El sentido de aplicacin de la fuerza.
La mquina que utilizamos para realizarlo es diferente.
Los procedimientos de todos los ensayos estn normalizados. En
ambos ensayos aplicamos una fuerza axial; pero en el de traccin es
estirando el material, y en el de compresin comprimindolo. Los dos
ensayos se realizan con las mismas mquinas universales de ensayo,
aunque con diferentes utillajes. 1.2. ENSAYO DE FATIGAEn ciertas
utilizaciones industriales se observa que al repetirse ciclos de
carga y descarga se genera un debilitamiento de las piezas, incluso
cuando las fuerzas aplicadas son mucho menores que la tensin de
rotura esttica e incluso del lmite elstico del material, generando
la iniciacin y propagacin de una grieta hasta el fallo final por
fractura. A este fenmeno se le conoce como fatiga. Con cada ciclo
se resiente la pieza y despus de un cierto nmero de ciclos
determinado, la pieza est tan debilitada que rompe por fatiga. a.
ENSAYO DE FATIGAEn algunas piezas metlicas, por elevado que sea el
nmero de ciclos de trabajo, con cargas por debajo de un cierto
valor de tensin no se produce la rotura de la pieza. Pero tambin
ocurre al contrario, con cargas por encima de un cierto valor de
tensin la rotura viene para un nmero reducido de ciclos. Por ello
el estudio de la fatiga de los materiales es realmente complicado,
y provoca un elevado nmero de roturas de piezas industriales que
han sido fabricadas con materiales frricos. Adems, otra de las
caractersticas del fallo por fatiga y que lo hace especialmente
peligroso es que aparece de una forma inmediata, "sin avisar".
Ejemplos de fallo por fatiga los tenemos en mquinas rotativas,
tornillos, vehculos, puentes, plataformas martimas, barcos, alas de
aviones, ruedas de ferrocarril y otros productos de consumo.
El anlisis de fatiga estructural es una herramienta para evaluar
la validez de un diseo o su durabilidad bajo condiciones de cargas
simples o complejas, conocidas como cargas de servicio. Los
resultados del anlisis de fatiga se representan mediante contornos
en color que muestran la duracin de los ciclos de carga que la
estructura puede soportar antes de que se inicie cualquier grieta.
Qu sabes de la fatiga? La fatiga hace que fallen las piezas
sometidas a cargas muy elevadas. Verdadero Falso Incorrecto!
Correcto! La fatiga hace que fallen las piezas despus de haber sido
sometidas a una carga, no necesariamente elevada, pero que se
repite cclicamente. La rotura de una pieza por fatiga se produce de
forma casi instantnea. Verdadero Falso Correcto! Incorrecto! El
problema de la fatiga es que la rotura viene de una forma
repentina, sin darnos cuenta de que la pieza va a fallar. Una de
las zonas donde aparece la fatiga es en las uniones metlicas.
Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! Para que aparezca la fatiga
se deben repetir ciclos de carga y descarga. En una unin no se
repiten esos ciclos. 1.3. ENSAYO DE DUREZANecesitamos que el acero
1030 sea duro, con el ensayo de dureza adecuado sabremos cul es su
dureza.Dureza es la resistencia que opone un material a la
deformacin permanente (plstica) en su superficie, es decir la
resistencia que opone un material a ser rayado o penetrado. La
dureza de un material se mide de distintas formas. En los ensayos
mecnicos se utiliza un penetrador o indentador sobre la superficie
del material, sobre el que se ejerce una carga conocida
perpendicularmente a la superficie del material de ensayo. El
penetrador tiene diferentes formas y segn sea su forma, as ser la
huella que queda grabada en el material. Segn el tipo de materiales
y su geometra se emplean distintos mtodos de ensayos de dureza,
Brinell, Vickers, Rockwell y Knoop, que veremos a continuacin.
ESCALA DE MOHS En geologa se utiliza la escala de Mohs, que
consiste en una tabla de diez minerales, donde cada miembro es ms
duro que los que estn delante de l en la escala y ms blando que los
que estn detrs. Con ellos se mide la resistencia al rayado de los
materiales, de modo que cuando deseamos saber la dureza de un
mineral se va probando si es rayado por los elementos consecutivos
de la escala Mohs, hasta que el mineral es rayado por uno, por lo
que su dureza estar comprendida entre la del ltimo elemento que no
consigui rayar el mineral y el primero que lo hizo. DurezaMineral
Composicin qumica
1Talco, (se puede rayar fcilmente con la ua) Mg3Si4O10(OH)2
2Yeso, (se puede rayar con la ua con ms dificultad)
CaSO42H2O
3Calcita, (se puede rayar con una moneda de cobre) CaCO3
4Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo) CaF2
5Apatita, (se puede rayar difcilmente con un cuchillo)
Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F)
6Feldespato, (se puede rayar con una cuchilla de acero)
KAlSi3O8
7Cuarzo, (raya el vidrio) SiO2
8Topacio Al2SiO4(OH-,F-)2
9Corindn, (slo es rayado por el diamante) Al2O3
10Diamante, (el mineral natural ms duro) C
Un material es duro cuando: No es fcil rayarlo.
No es fcil penetrarlo.
No es fcil romperlo.
Decimos que un material es duro cuando opone resistencia ser
rayado o penetrado. En lenguaje coloquial s que decimos que un
material es duro cuando no se rompe, pero eso no es tcnicamente
correcto. Se utilizan distintos ensayos de dureza (Brinell,
Vickers...): Segn el tipo de material que vamos a ensayar y su
tamao.
Segn el tipo de material que vamos a ensayar y su geometra.
Segn el tipo de material que vamos a ensayar y su
estructura.
Los distintos ensayos de dureza se definen por el tipo de
material que vamos a ensayar y su geometra; no tiene nada que ver
el tamao y la estructura. Un elemento tiene una dureza que est
comprendida entre el 5 y el 6 de la escalada de Mohs. Rayar al
yeso? No tienes ms que ir a la escala de Mohs y ver que el yeso
tiene una dureza de 2, por lo que ese elemento tiene una dureza
mayor que la del yeso, y, por lo tanto, podr rayarlo.
1.4.1. ENSAYO BRINELLEl ensayo Brinell se realiza como todos los
ensayos de dureza; se ejerce una carga en el penetrador
perpendicularmente sobre la superficie del material a ensayar. El
ensayo Brinell viene definido por la norma UNE 7-422-85. En el
ensayo Brinell el penetrador es una bola de acero templado (muy
duro).
La dureza Brinell se calcula en funcin del rea del casquete de
la huella realizada y de la carga aplicada.
Como el rea del casquete de la huella no es una medida que
podamos tomar directamente, la expresin, en trminos de dimensiones
que podemos medir ser:
siendo: F: carga aplicada en kg D: dimetro de la bola en mm d:
dimetro de la huella en mm
Este ensayo tiene una serie de restricciones: No es recomendable
para valores de dureza superiores a 500 HB si la bola del
penetrador no es de carburo de volframio. Slo es adecuado para
materiales de espesor grueso, ya que las huellas que se obtienen
son ntidas y de contornos bien delimitados. Si se aplica a
materiales de espesores pequeos se deforma el material y los
resultados obtenidos son errneos. En estos casos se deber disminuir
la carga aplicada, con lo que las huellas sern menos profundas y el
dimetro del penetrador, para que el dimetro de la huella quede
comprendido entre D/4 y D/2 No es recomendable para piezas
cilndricas y esfricas. Cuando la deformacin es pequea, se cometen
errores significativos al medir el dimetro de la huella. Al variar
la carga, es necesario sustituir el penetrador.Cuando damos la
dureza Brinell de un material damos los siguientes datos:
En este ensayo la carga a aplicar depende del material a ensayar
y del cuadrado del dimetro de la bola del penetrador.
El tiempo de aplicacin de la carga es funcin de la dureza del
material a ensayar, oscilando entre 10 segundos y 3 minutos; a
mayor dureza, menor tiempo de aplicacin. Recordamos el ensayo
Brinell. La dureza se determina en funcin de la profundidad de la
huella. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! La dureza se
determina en funcin del rea del casquete que forma su huella, si
bien esa rea depende, en parte, de la profundidad de la huella. Es
aplicable a materiales de dureza extrema. Verdadero Falso
Incorrecto! Correcto! El ensayo Brinell se aplica a materiales cuya
dureza no supere los 500 HB; si se aplica a materiales muy duros se
cometen errores significativos. Es aplicable a materiales de
espesores pequeos. Verdadero Falso Correcto! Incorrecto! Aunque da
resultados ms fiables si los espesores son grandes, se puede
utiliazr para espesores pequeos disminuyendo la carga aplicada y el
dimetro del penetrador. En un ensayo de dureza Brinell se aplica
una carga de 3000 Kp al penetrador, cuyo dimetro es de 10 mm. Si el
dimetro de la huella es de 5 mm, determina: a) Dureza del
material.b) Se obtendra el mismo valor de dureza si la carga fuese
de 750 Kp y el dimetro de la bola fuese de 750 Kp?Para calcular la
dureza, aplicaremos la frmula dada con los datos del problema:
Para contestar al segundo apartado debemos calcular la constante
que relaciona la fuerza aplicada y el dimetro del penetrador, es
decir:
Sustituiremos el valor de la carga y del dimetro en la expresin,
en las dos situaciones, y si obtenemos la misma constante,
obtendramos la misma dureza.
Como la K es la misma, la dureza obtenida sera la misma.
1.4.2. ENSAYO VICKERSImportante El ensayo Vickers viene definido
por la norma UNE 7-423-84. En el ensayo Vickers el penetrador es
una pirmide de base cuadrada, cuyas caras opuestas forman un ngulo
de 136.
La dureza Vickers se calcula de forma similar a como lo hacamos
en el ensayo Brinell. En este caso la dureza es funcin de la
superficie lateral de la huella y de la carga aplicada.
Igual que suceda en Brinell, como la superficie lateral de la
huella no es una medida que podamos tomar directamente, la
expresin, en trminos de dimensiones que podemos medir ser:
siendo: F: carga aplicada en kg d: diagonal de la huella en
mm
El ensayo Vickers tiene una serie de ventajas sobre el Brinell:
Se puede emplear con piezas de espesores muy reducidos (hasta 0.2
mm). Puede medir dureza superficial aunque la huella sea poco
profunda. Se puede utilizar en superficies cilndricas o esfricas.
Se puede utilizar indistintamente con materiales muy duros, o con
materiales blandos. No es necesario sustituir el penetrador al
variar la carga (el valor de la dureza es prcticamente
independiente del valor de la carga). Los ensayos Brinell y
Vickers, dan resultados parecidos hasta un valor de 300; a partir
de aqu la dureza Vickers es superior a la Brinell, ya que la
deformacin de la bola falsea los resultados.Se aplican cargas
menores que en el ensayo Brinell (oscilan entre 1 y 120 Kp), siendo
la carga de 30 Kp la ms empleada.El tiempo de aplicacin vara entre
10 y 30 segundos, siendo 15 segundos lo ms habitual.Cuando damos la
dureza Vickers de un material damos estos datos:
La nica diferencia entre el ensayo Vickers y el Brinnel es el
penetrador utilizado. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! Adems
de diferenciarse en el penetrador, tambin se diferencian en el tipo
de material al que se puede aplicar el ensayo. La dureza Vickers
slo depende del rea lateral de la huella realizada. Verdadero Falso
Incorrecto! Correcto! La dureza Vickers depende del rea lateral de
la huella realizada, pero tambin de la carga aplicada en el
ensayo.. El ensayo Vickers es ptimo para determinar durezas de
piezas de muy pequeo espesor. Verdadero Falso Correcto! Incorrecto!
Se puede emplear con piezas de espesores de hasta 0.2 mm. Determina
la dureza de un material que se ha sometido a un ensayo Vickers, en
el que, con una carga aplicada de 120 Kp, se ha producido una
huella de 0.5 mm de diagonal. No tenemos ms que aplicar la expresin
de la dureza Vickers.
Y sustituir los datos de nuestro problema:
En este video vas a ver cmo se realiza un ensayo Vickers, pero
totalmente informatizado. A partir de un ordenador transmitimos la
orden de aplicar la carga correspondiente, y tambin en una pantalla
vemos la huella realizada y desde all mismo podremos medirla.
1.4.3. ENSAYO ROCKWELL
El ensayo Rockwell viene determinado por la norma UNE
7-424-89.
Se puede utilizar indistintamente con materiales muy duros, o
con materiales blandos.Para materiales blandos (con durezas menores
que 200) el penetrador es una bola de acero de dimetro 1.5875 mm, y
la dureza determinada ser una dureza Rockwell B. Para materiales
duros (con durezas mayores que 200) el penetrador es un cono de
diamante de 120 en la punta, y la dureza determinada ser una dureza
Rockwell C.El ensayo Rockwell es un ensayo rpido y fcil de realizar
pero menos preciso que los anteriores, en el que la dureza se
obtiene en funcin de la profundidad de la huella y no de la
superficie como en el Brinell y el Vickers. Para realizar este
ensayo se siguen los siguientes pasos: 1. Se aplica una carga de 10
kg al penetrador (bola o cono), provocando una pequea huella en la
superficie del material a ensayar; se mide la profundidad de esta
huella, h1, y se toma como referencia, colocando a cero el
comparador de la mquina.2. Se aumenta en 90 kg la carga, si se
emplea el penetrador de bola y en 140 kg si es el de cono,
manteniendo la carga durante un tiempo entre 1 y 6 segundos; a
continuacin se mide la profundidad de la huella producida, h2.3. Se
retira la carga, con lo que el material trata de recuperar su
posicin inicial quedando una huella permanente de una profundidad
h1+e.
La dureza RocKwell no se expresa directamente en unidades de
penetracin, sino como diferencia de dos nmeros de referencia:HRC =
100 e y HRB = 130 - eLa diferencia entre HRB y HRC es el dimetro
del penetrador. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! La diferencia
es el penetrador, no su dimetro. En la HRB el penetrador es una
bola de acero y en la HRC es un cono de diamante. La dureza
Rockwell viene dada por la profundidad de la huella una vez que
hemos eliminado la carga. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! La
dureza Rockwell viene dada por la diferencia de la profundidad de
la huella inicial y la de la huella una vez retirada toda la carga.
La dureza Rockwell mide la deformacin plstica que se produce en el
ensayo. Verdadero Falso Correcto! Incorrecto! La dureza Rockwell
mide la deformacin plstica que se produce en el ensayo. porque lo
que medimos es la huella permanente que aparece cuando, al retirar
la carga, el material trata de recuperar su posicin inicial.
1.4.4. ENSAYO KNOOPSe emplea nicamente en laboratorio para medir
microdurezas, o bien durezas de lminas de un espesor muy reducido.
El penetrador es una punta de diamante con forma de pirmide rmbica
cuya relacin entre diagonales es de 1:7, sus ngulos entre aristas
son a=130 y b= 172 30.
La dureza Knoop se obtiene por la frmula:
Donde F es la carga normalizada aplicada en el ensayo y l la
longitud de la diagonal mayor de la huella. Para medir la dureza de
una lmina de 0.1 mm de espesor se utiizar el ensayo Knoop.
Verdadero Falso Correcto! Incorrecto! El ensayo Brinell no serva
para piezas de espesor pequeo, el Vickers s, pero hasta espesaores
de 0.2 mm. Es el ensayo Knoop el que se utiliza para piezas de
espesores menores. El penetrador utilizado en un ensayo Knoop es
una pirmide rmbica de acero. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto!
En el ensayo Knoop se utiliza como penetrador una pirmide rmbica de
diamante. El ensayo Knoop es el ensayo ms habitual por ser el ms
exacto. Verdadero Falso Incorrecto! Correcto! El ensayo Knoop es un
ensayo ms riguroso y slo se hace en laboratorio.
1.5. ENSAYO DE RESILIENCIAQu pasa si una moto choca contra el
puente? Tendremos que saber cunta energa puede absorber el acero
cuando recibe un golpe para as no romperse. Eso lo determinaremos
con el ensayo de resiliencia.El ensayo de resiliencia es un ensayo
destructivo, que consiste en romper una probeta del material a
ensayar golpendola con un pndulo. Para facilitar el inicio de la
fisura, se realiza una hendidura o entalladura en la probeta. El
objetivo del ensayo es conocer la energa que puede soportar un
material al recibir un choque o impacto sin llegar a romperse. Para
realizar este ensayo se utiliza el pndulo Charpy, que consta de un
brazo giratorio con una maza en su extremo, que se hace incidir
sobre la probeta provocando su rotura. El pndulo, de masa m, se
encuentra a una altura inicial H, por lo que tiene una determinada
energa potencial antes de iniciar el ensayo. Cuando se inicia el
ensayo, se libera el pndulo que, tras golpear la probeta y
romperla, continua con su giro, alcanzando una altura final h, por
lo que tendr una nueva energa potencial. La energa que ha absorbido
la probeta durante su rotura ser la diferencia de energas
potenciales inicial y final. Si la probeta no se rompe y el pndulo
se detiene al chocar sobre sta, es necesario aumentar la energa
potencial del pndulo, o bien aumentando la masa, o bien aumentando
la altura inicial.
La resiliencia se obtiene con la expresin:
Y se expresa en julios/cm2
Cuanto ms frgil sea el material y menor su tenacidad, menos
resiliencia presentar. Materiales muy dctiles y tenaces absorben
grandes cantidades de energa de choque. Este comportamiento es muy
dependiente de la temperatura y la composicin qumica del
material.Se realizan dos tipos de ensayos: Charpy, en el que la
probeta se apoya en un soporte y recibe el impacto en el centro por
la cara opuesta a la hendidura. Izod, en el que la probeta se
embute hasta la mitad, recibiendo el impacto en el extremo del
voladizo por la cara de la entalla.
Una probeta de seccin cuadrada de 10 mm de lado con una entalla
de 2 mm en el centro de sus caras se somete a un ensayo de
resiliencia con un pndulo de 20 Kgf que cae desde 90 cm, y que,
tras la rotura, alcanza 70 cm. Determinar: a) Energa absorbida en
el choque por la probeta. b) Resiliencia del material.
SOLUCINLa seccin en la zona de la entalla ser:
La resiliencia, o lo que es lo mismo, la energa absorbida en el
impacto, ser el resultado de restar la energa potencial que tiene
la maza al inicio del ensayo y en el momento final:
1.6. ENSAYOS TECNOLGICOSAhora ya conocemos las propiedades
mecnicas de nuestro material, y vamos a decidir que es con el que
vamos a construir nuestro puente, pero, "se dejar"? Tendremos que
saber, por ejemplo si una chapa de ese material se puede doblar, o
deformar. As que nos faltan otros ensayos: los tecnolgicos.En los
ensayos tecnolgicos no se pretende conocer valores cuantitativos de
determinadas propiedades o caractersticas de un material; lo que se
persigue es tratar de obtener informacin acerca de si el material
va a ser capaz de soportar las condiciones de esfuerzos y cargas
que sufrir en sus condiciones normales de trabajo. Por eso se
tratar de reproducir lo ms fielmente posible estas condiciones
durante la realizacin de este tipo de ensayos. Son ensayos
tecnolgicos: Ensayo de cizalladura Trata de determinar el
comportamiento de un material sometido a un esfuerzo cortante. Este
ensayo se aplica a materiales destinados a la fabricacin de
tornillos, remaches, lengetas y chavetas. Ensayo de plegado Se
emplea para determinar la capacidad de deformacin de un material en
la zona plstica. Consiste en doblar probetas y observar si aparecen
grietas.Ensayo de embuticin Comprueba la capacidad de deformacin de
chapas de materiales. Para ello se presiona el vstago sobre la
chapa a ensayar, hasta que se produce la primera grieta, entonces
se comprueba cuanto se ha introducido el vstago.
El resultado del ensayo de plegado se da en mm. Verdadero Falso
Incorrecto! Correcto! Los ensayos tecnolgicos como el de embuticin
no dan resultados cuantitativos; slo determinan si un material es
apto para una aplicacin o no.
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