ensayos con materiales

UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO ING. CIVIL

ING. ERMERSON SANDOVAL GUEVARA

UNIVERSIDAD CESAR VALLEJOCHICLAYO

FACULTAD DE INGENIERIA.ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA

CIVIL

INTRODUCCION A LA ING. CIVIL.

ENSAYO DEMATERIALES.

ING. ERMERSON SANDOVAL GUEVARA.

PIMENTEL, FEBRERO 2015

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2ING. ERMERSON SANDOVAL GUEVARA


ENSAYOS CON MATERIALES

Los materiales de interés tecnológico se someten a una variedad de ensayos para conocer sus

propiedades. Se simulan las condiciones de trabajo real y su estudia su aplicación.

1.- Según la rigurosidad del ensayo, pueden ser:

a) Ensayos científicos: De gran precisión, fidelidad y sensibilidad. Tratan de extraer

valores de ciertas magnitudes físicas. Ej. densidad.

b) Ensayos tecnológicos: Se utilizan para comprobar si las propiedades de un

determinado material son adecuadas para una cierta utilidad. Son rápidos y simples.

2.- Según la naturaleza del ensayo...

a) Ensayos químicos: Para conocer la composición química (cualitativa y cuantitativa)

así como su comportamiento ante agentes químicos.

b) Ensayos físicos: Se trata de determinar propiedades físicas (densidad,

conductividad eléctrica, …)

c) Ensayos metalográficos: Consiste en analizar la estructura interna del material al

microscopio.

d) Ensayos mecánicos: Determina la resistencia y elasticidad material cuando se somete

a diferentes esfuerzos (tracción, compresión, flexión,...)

3.- Según la utilidad de la pieza

a) Ensayos destructivos: Los materiales sometidos a ensayo sufren rotura o daño en su

estructura.

b) Ensayos no destructivos: No se daña la estructura ni sufre deformación, aunque se

analizan los defectos que puedan ocasionarse.



DEFORMACIÓN ELÁSTICA Y PLÁSTICA

Un material sometido a una tensión (fuerza) produce una deformación del mismo. Si al

cesar la fuerza el material vuelve a sus dimensiones primitivas, diremos que ha

experimentado una deformación elástica. Si la deformación es tal que no recupera

por completo sus medidas originales es una deformación plástica.

ENSAYO DE TRACCIÓN

a) Esfuerzo y deformación.

El ensayo de tracción es uno de los más importantes para determinar las

propiedades mecánicas de los materiales.

El ensayo consiste en someter una pieza de forma cilíndrica o prismática de

dimensiones normalizadas (estándar) a un esfuerzo de tracción continuo (tendencia a

estirar el material). Esta pieza se llama probeta.

Consideremos una probeta de longitud lo y una sección Ao sometida a una fuerza F

norma de tracción (perpendicular a la sección de la probeta). Se define esfuerzo o

tensión (σ) como la fuerza aplicada a la probeta por unidad de sección transversal Ao

F

A0



Sus unidades en el Sistema Internacional sonN

pascal m2

Supongamos que durante el ensayo la varilla se alargó una longitud “l” Δl = l – lo

Siendo: l = longitud final de la probetay lo = longitud inicial de la probeta

Definimos deformación o alargamiento unitario (ε) de la probeta como el cocienteentre el cambio de longitud o alargamiento experimentado y su longitud inicial.

l l0

lNo tiene unidades

l0 l0

A veces se utiliza el porcentaje de alargamiento.

% deformación = ε (%)= l

.100l0

Análisis de un Diagrama de Deformación

Supongamos una probeta sometida a tracción cuyos resultados se representan en una gráfica. En abscisas la elongación o alargamiento (Δl) y en ordenadas la fuerza aplicada (F) que provoca la deformación.

Cada material tiene una gráfica distinta porque su comportamiento es distinto. En general hay dos zonas:

- En la primera la deformación es proporcional a la tensión de tracción.- En la segunda, a pequeñas variaciones de tensión se producen grandes deformaciones.

Esta información es útil, pero no es práctica y se utilizan otras magnitudes.

- En abscisas, la deformación es l l0

- En ordenadas, al tensión o esfuerzo F

A0

Siendo A0 la sección de la probeta en cm2 y a la tensión en la sección transversal en kp/cm2

Un material presenta dos zonas en cuanto a su comportamiento ante un



esfuerzo de tracción:

1) Zona elástica (OE): Se caracteriza porque al cesar las tensiones aplicadas, los materiales recuperan su longitud inicial (lo). En la zona elástica (OE) hay, a su vez, dos zonas:

a) Zona de proporcionalidad (OP): En la gráfica es una línea recta, es decir, el

alargamiento unitario (ε) es proporcional a la tensión ejercida (ς).

σ = constante · ε

- La constante se representa por la letra E y se llama módulo de elasticidad longitudinal o módulo de Young. En el sistema internacional, sus unidades sonN

pascal m2

b) Zona no proporcional (PE): El material se comporta de forma elástica, pero no existe una relación proporcional entre tensión y deformación.

2) Zona plástica (ES): Se ha f rebasado la tensión del límite elástico y, aunque dejemos

de aplicar tensiones de será mayor que lo

tracción, el material ya no recupera su longitud original y

En la zona plástica (BE) hay, a su vez, otras dos zonas:



a) Zona de deformación plástica uniforme o zona de límite de rotura (ER): Se consiguen grandes alargamientos con un pequeño incremento de la tensión. En el punto R existe el límite de rotura y la tensión en ese punto se llama tensión de

rotura (ςR ). A partir de este punto, la probeta se considera rota, aunque físicamente no lo esté.

b) Zona de rotura o zona de estricción o zona de deformación plástica localizada (RS): Las deformaciones son localizadas y, aunque disminuya la tensión, el material se deforma hasta la rotura. En el punto D, la probeta se ha fracturado. La sección de la probeta se reduce drásticamente.

Esta curva varía de un material a otro, e incluso, otros materiales presentan curvas distintas(acero).

En el acero existe una zona por encima del límite elástico en el que se da una deformación apreciable sin que varíe la tensión aplicada. Este fenómeno es la fluencia y el punto donde comienza a manifestarse el fenómeno es la tensión de fluencia. Zona (EF).

Una vez definida la curva de tracción, veamos algunas definiciones:

a) Límite de elasticidad o límite elástico (σE): La tensión a partir de la cual las deformaciones dejan de ser reversibles, es decir, la probeta no recuperará su forma inicial.

b) Límite de rotura o tensión de rotura (σR): Máximo valor de la tensión observable en un diagrama tensión-deformación. Esta es la máxima tensión que soporta la probeta.

c) Módulo de Young (E): Constante que representa la relación entre la tensión y la deformación en la zona proporcional. También se le llama módulo de elasticidad.

d) Límite de proporcionalidad (σP): La tensión a partir de la cual deja de cumplirse la relación proporcional entre tensión y deformación y, por lo tanto, se deja de cumplir la ley de Hooke.

e) Límite de fluencia (σF): valor de la tensión que soporta la probeta en el momento de producirse el fenómeno de la fluencia

f) Estricción: es la reducción de la sección que se produce en la zona de la rotura

Curvas para un material dúctil y de poca resistencia y otro de alta resistencia, pero frágil



- La tensión máxima es en este caso menor, luego tiene menor resistencia. El alargamiento en este caso es mucho mayor que en elsegundo, luego es más dúctil.

- Material más resistente y más frágil.

b) La ley de Hooke

Se aplica en ensayos de tracción y con carácter general se enuncia así:“Las deformaciones producidas en un elemento resistente son proporcionales a las fuerzasque lo producen”.

FUERZA

DEFORMACION constante tan

- La fuerza es de tracción (F) y la deformación Δl = l – lo

- La constante se representa por K = tg α

Unidades: F = En el sistema internacional Newton (N), también se elige kilopondio (Kp) Δl = En el sistema internacional Metros (m), también se elige cm o mm K en el Sistema Internacional N/m , también se elige Kp/cm o Kp/mm

En realidad se emplea el diagrama ς - ε



constante=E

Siendo E el módulo de Young o módulo elástico, que representa la pendiente de la recta ς – ε

NE: Unidades en el sistema internacional

m2 , otras son kp/cm2 o kp/mm2

ς : Unidades en el sistema internacionalN

, otras son kp/cm2 o kp/mm2

m2

ε : no tiene unidades (adimensional)

Por ello, redefinimos la ley de Hooke:

Los alargamientos unitarios (deformaciones) (ε )son proporcionales a la tensión que losproducen (ς), siendo la constante de proporcionalidad el módulo elástico (E)

c) Tensión máxima de trabajo

Es el límite de carga al que podemos someter una pieza o elemento simple de una estructura.

Se representa por ( )

Hasta que la tensión no alcanza ( ) podemos asegurar

a) Que el elemento no padecerá deformaciones plásticas b) Que cumplirá la ley de Hookec) Que ofrecerá un margen de seguridad ante la posibilidad de que aparezcan

fuerzas imprevistas.



ENSAYO DE FATIGA.

- Un ensayo de fatiga es aquel en el que la pieza está sometida a esfuerzos variables en magnitud y sentido, que se repiten con cierta frecuencia. Muchos de los materiales, sobre todo los que se utilizan en la construcción de máquinas o estructuras, están sometidos a esfuerzos variables que se repiten con frecuencia.

- Es el caso de los árboles de transmisión, los ejes, las ruedas, las bielas, los cojinetes, los muelles,...

- Cuando un material está sometido a esfuerzos que varían de magnitud y sentidocontinuamente, se rompe con cargas inferiores a las de rotura normal para un esfuerzo de tensión constante.

Si a un material se le aplican tensiones repetitivas (cíclicas) de tracción, compresión, flexión, torsión, etc., comenzaremos por medir los valores de los esfuerzos a que están sometidas las piezas

- El valor máximo de la tensión a que está sometida- El valor mínimo de la tensión- La diferencia entre el valor máximo y mínimo- El valor medio ( med )

Existe un valor de F por debajo del cual no se produce rotura por fatiga. Es el límite de

fatiga. La carga de fatiga es repetitiva (cíclica) y posee un valor máximo y mínimo en cada ciclo. Pues bien, la diferencia entre ambos valores ( F ) es el límite de fatiga,

independientemente del número de veces que se repite la acción.

En el gráfico, se observa uno de los ciclos de los esfuerzos variables a los que está sujeto el material. Estos ciclos se repiten, aunque no necesariamente deben ser iguales. Si la diferencia entre el esfuerzo máximo (ςmax) y el esfuerzo mínimo (ςmin) que sufre la pieza en un determinado ciclo supera el valor ( F ), entonces se corre el riesgo de rotura si este fenómeno se repite durante varios ciclos.

1.



ENSAYOS DE DUREZA

A. Ensayos de dureza al rayado- Escala de Mohs: Establecida sobre 10 materiales, donde cada uno de ellos es rayado

por el siguiente en la escala. Es poco fiable.

1. Talco 3. Calcita 5. Apatito 7. Cuarzo 9. Corindón

2. Yeso 4. Fluorita 6. Ortosa 8. Topacio 10. Diamante

– Escala de Martens: Un cono de diamante raya la superficie del material cuya dureza se quiere medir. La dureza del material será inversa a la anchura de la raya.

B. Ensayos de penetración- Se trata de medir la resistencia que ofrece un material a ser penetrado por una pieza

llamada penetrador.1. Ensayo de Brinell

Utiliza como penetrador una esfera de acero templado de gran dureza a laque se aplica una carga preestablecida.

En función del diámetro de la huella se calcula la dureza del material. Este ensayo se utiliza en materiales blandos y/o muestras delgadas. La unidad de un material según este ensayo viene determinado por

los grados Brinell (HB). Se mide en kp/mm2

HB F

SSiendoF = La fuerza aplicada sobre la superficie del material (en Kp)S = Superficie de la huella que deja el penetrador sobre la superficie (en mm2) La superficie de la huella es:

Siendo

S Df

D = Diámetro de la bola (en mm)f = profundidad de la huella (en mm)

Cuando se toma una medida con este método, se registra siguiendo una notación estándar. Veamos un ejemplo:

115 HB 5/270/32Tiempo de aplicación (segundos)

Carga (en kilopondios)

Diámetro de la bola (en mm)

Unidades Brinell

Grado de dureza (kp/mm2 )



La superficie de la huella se puede colocar en función del diámetro de la bola y del diámetro de la huella en la superficie del material.

D = Diámetro de la bola (mm)

1

(D.(D2 d 2 ) 2 )S

2

d= diámetro del casquete de la huella esférica (mm)

2. Ensayo Vickers

- Utiliza como penetrador una pirámide regular de base cuadrada.

- Es más utilizado que el anterior, puesto que la gama de materiales a ensayar es más alta (materiales de alta dureza).

- Los espesores de las piezas pueden ser muy pequeños, en cambio con el ensayo Brinell no ocurre tal hecho.

- Las cargas utilizadas por tal procedimiento son muy pequeñas (de 1 a 120 kg).

- En cambio con el ensayo Brinell se utilizan cargas de hasta 3000 kg.

- Se comenten menos errores con este ensayo que con elcaso anterior en la medida de la huella cuando la deformación es pequeña.

La expresión se mide según la expresión

(expresado en kp/mm2)

HB F

donde HV son las unidades VickersS

- F = la fuerza aplicada sobre la superficie del material (en Kp)- S = Superficie lateral de la huella (mm2)

La superficie de la huella se mide según la siguiente expresión:

d 2

S 1.8543

Siendo d la diagonal de la marca que deja el penetrador en la superficie del material.

Cuando se toma una medida con este método, se registra siguiendo una notación estándar. Veamos un ejemplo:

730 HV 35/20

Tiempo de aplicación (segundos) Carga (en kilopondios)

Unidades VickersGrado de dureza (kp/mm2 )



3. Ensayo Rockwell- Es el más utilizado por su rapidez y el pequeño tamaño de las huellas que

ocasiona, aunque es menos exacto. Se determina la profundidad de la huella, a

diferencia de los anteriores, que mide el área de la huella producida.

- El grado de dureza se mide en cantidades HRB (para materiales blandos) y HRC (para

materiales duros). En el primer caso se emplea como penetrador una esfera de acero y

en el segundo caso un cono de diamante.

¿ Cómo se rea liza este en sa yo?

1º Se aplica al penetrador una carga de 10 kg durante un tiempo determinado. Esta carga provoca una huella de profundidad h0.

2º Después, dependiendo de la dureza del material, se añade la carga adicional que

puede ser 60, 100 ó 150 kg. La profundidad de la huella alcanza entonces el valor h1.

3º Al retirar la carga adicional, el penetrador retrocede por la recuperación elástica

del material. La huella adquiere entonces una profundidad e =h1 -h0

La dureza Rockwell queda determinada por: HRC = 100 – e HRB = 130 – e

Se observa que cuando mayor es la profundidad (e) menor es la dureza del material.



ENSAYO DE RESILIENCIA.

- El más característico es el ensayo Charpy. En este ensayo se utiliza una probeta de sección cuadrada provista de una entalladura que es sometida a la acción de una carga de ruptura por medio de un martillo que se desplaza en una trayectoria circular.

- La energía absorbida por la ruptura se llama resiliencia y su unidad en el sistema internacional es elJ/m2

Ep m.g(H h) y Ep

A0

Ep = Energía potencia absorbida en la ruptura en Julios (J)m = Masa del martillo en kgg = Gravedad terrestre 9,8 m/s2H = Altura desde la que cae el martillo en metros (m)h = Altura que alcanza el martillo después de romper la probeta en metros (m)ρ = Resiliencia en Julios por metro cuadrado (J/m2)Ao = Sección de la probeta por la parte de entalladura en metros cuadrados (m2)

Otros ensayos

a) Ensayos de compresión: Tratan de averiguar el comportamiento de los materiales frente a esfuerzos de compresión y se aplican tensiones progresivas crecientes hasta conseguir la rotura o el aplastamiento del material. No son tan utilizados como los de tracción.

b) Ensayos de cizallamiento: Tratan de determinar el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo cortante. Este ensayo se aplica a materiales destinados a la fabricación de tornillos, remaches y chavetas.

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