01 Ensayos mecanicos

7/13/2019 01 Ensayos mecanicos

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Ensayos Mecnicos

Ing. Jaime Gonzlez Vivas


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ENSAYOS

Clasificacin de los ensayos

a estos ensayos se les llama de caractersticas internas y los mas usuales

son


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Efecto de una fuerza sobre un slido Esfuerzo.

A

P

La magnitud del efecto es directamente proporcional

a F e inversamente proporcional a A


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Universidad de Atacama Departamento de Metalurgia

Los materiales poseen una serie de caractersticas, entre las cuales

destacan las propiedades mecnicas, tales como:Ductilidad

Maleabilidad

Resistencia

Dureza

Tenacidad

Existen ensayos que permiten determinar el comportamiento de un

material ante la aplicacin de una carga. Los resultados de estas pruebasconstituyen las propiedades mecnicas del material. Es conveniente,

entonces, aclarar algo el significado de estos trminos.


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Ductilidad: capacidad que tiene un material para deformarse sin rompersecuando est sometido a esfuerzos de traccin; por ejemplo en el estirado de

un alambre.

Maleabilidad: capacidad que presenta el material para soportar

deformacin sin rotura sometido a compresin, caso de forja o laminado.

Elasticidad: capacidad de un material que ha sido deformado para regresar a

su estado y tamao original, cuando cesa la accin que ha producido la

deformacin. Cuando el material se deforma permanentemente, de tal

manera que no pueda regresar a su estado original, se dice que ha pasado

su lmite elstico.


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Dureza:Mide la resistencia a la penetracin sobre la superficie de un material,

efectuada por otro material.

Resistencia: se definen varias; por ejemplo, resistencia a la traccin es la carga

(Fuerza) mxima por unidad de rea que puede soportar el material al ser

estirado. Los valores de resistencia son utilizados en todo lo que se refiere a

diseo.

Fragilidad: Lo opuesto a ductilidad. Un material frgil no tiene resistencia a

cargas de impacto y se fractura an en cargas esttica sin previo aviso. Tanto la

fragilidad como la ductilidad de un material son medidas arbitrarias, pero

puede decirse que un material con un alargamiento mayor de 5% es dctil y

menor de 5% es frgil. Se pueden clasificar los materiales en frgiles y

dctiles, habiendo dentro de ellos diferentes grados.


7/77Universidad de Atacama Departamento de Metalurgia

Tenacidad: Es la energa absorbida por el material durante el proceso dedeformacin y ruptura; est directamente relacionada con la resistencia y

ductilidad. Por ejemplo, el vidrio, el hierro fundido y el acero endurecido

son poco tenaces, porque sus ductilidades son muy bajas y en algunos

casos casi cero, aunque tienen una buena resistencia (bastantes duros). Unmetal como el cobre es bastante tenaz, pues tiene una buena resistencia y

buena ductilidad. Mientras que una "goma de mascar" tiene menos

tenacidad, ya que aunque la ductilidad es enorme su resistencia es muy

baja.



Plasticidad: Es la habilidad de un material para adoptar nuevas formasbajo la presin y retener esa nueva forma. El rango de adaptacin puede

variar considerablemente de acuerdo con el material y sus condiciones.

Esfuerzo: Fuerza aplicada a un rea conocida.



Ensayos Mecnicos.

Tensin (tension test)

Dureza (hardness test)

Torsin (torsion test)

Fractura (fracture mechanics)

Fatiga (fatigue)

Creep (Creep and stress rupture)

Impacto y fractura frgil (brittlefracture and impact testing)

Composicin

Microestructura



Ensayo de tensin

El Ensayo de traccin se

realiza bajo la norma

ASTM E-8 ASTM A 370,



Se coloca una probeta

estndar (0,505 pulg dedimetro y longitud

calibrada de 2 pulg) en

una mquina de ensayo

consistente de dos

mordazas, una fija y otra

mvil. Se procede a medir

la carga mientras se aplica

el desplazamiento de la

mordaza mvil.

Equipamiento para el ensayo de tensin



Esquema de probetas que se utilizan en el ensayo de traccin



Probetas normalizadas.



Esfuerzo y deformacin ingenieriles

Los resultados de un ensayo se aplican a todos los tamaos y seccionestransversales de un material, siempre que la fuerza se convierta en esfuerzo y

la distancia entre las marcas de calibracin se conviertan en deformacin

Esfuerzo ingenieril

Deformacin ingenieril

0A

F

0l

l

A0: rea seccin transversaloriginal

Io: distancia original entre

marcas de calibracin

I: cambio de longitud

despus de haber aplicado el

esfuerzo



Curva esfuerzo deformacin para una aleacin de aluminio



Curvas tensin deformacin de algunos metales y aleaciones



Propiedades obtenidas en el ensayo de tensin

Esfuerzo de cedencia (esfuerzo de fluencia): esfuerzo que divide los

comportamientos elsticos y plsticos del material. El valor crtico del

esfuerzo necesario para iniciar la deformacin plstica se llama lmite

elstico del material. En los materiales metlicos es el esfuerzo necesario

para iniciar el movimiento de las dislocaciones.

El lmite elstico puede definirse como el esfuerzo mnimo al que ocurre la

primera deformacin permanente.


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UNIVERSIDAD


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p deformacin plstica impuesta

e deformacin elstica asociada


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Resistencia a la tensin (resistencia a la traccin): esfuerzo obtenido con la

mxima fuerza aplicada

Es el esfuerzo mximo, basado en la seccin transversal original, que puede

resistir un material.

Es el esfuerzo en el cual comienza la estriccin en los materiales dctiles

Deformacin localizada durante

el ensayo de tensin de un

material dctil, produciendo unaregin de cuello


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Esfuerzo de ruptura: es el esfuerzo basado en la seccin original, que produce

la fractura del material

La deformacin se concentra en la zona del cuello, provocando que la fuerza

deje de subir. Al adelgazarse la probeta, la fuerza queda aplicada en menor rea,

provocando la ruptura.

Esquema de la secuencia de

ruptura de las probetas en un

ensayo de traccin


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Mdulo de elasticidad o mdulo de Young (E): es el valor de la

pendiente de la parte recta del diagrama esfuerzo v/s deformacinunitaria

),( p siP aE

Ley de Hooke

Es una medida de la rigidez

de un material


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Tiene una estrecha relacin con la energa de enlace atmico, por lo tanto es

mayor para materiales de punto de fusin alto.

Un alto mdulo de elasticidad indica que se necesitan grandes fuerzas para

separar los tomos y producir la deformacin elstica del metal.


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Resiliencia

Es la capacidad de un material para absorber energa cuando es deformado

elsticamente y devolverla cuando se elimina la carga

Mdulo de resiliencia: Corresponde a la energa de deformacin por unidad de

volumen requerida para deformar el material hasta el lmite elstico


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Tenacidad a la tensin: capacidad de absorber energa en el campo plstico,

antes de fracturarse (trabajo de fractura).

Se determina como el rea bajo la curva esfuerzo- deformacin ingenieril. Esta

superficie es una indicacin del trabajo total, por unidad de volumen que puede

realizarse sobre el material sin que se produzca rotura

Comparacin de las curvastensin-deformacin dedos aceros, con alta

tenacidad y baja tenacidad


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Ductilidad: mide la cantidad de deformacin que puede resistir un material

sin romperse.

El % de elongacin describe la deformacin plstica permanente antes de la

falla.

La reduccin porcentual del rea describe la cantidad de adelgazamiento que

sufre la muestra durante el ensayo

100%

100%

0

0

0

0

xA

AAreaenreduccin

xL

LLelongacinde

f

f


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Comportamiento dctil y frgil

El comportamiento de los materiales bajo carga se puede clasificar como

dctil o frgil segn que el material muestre o no capacidad para sufrir

deformacin plstica.

a) acero dctil b) un acero frgil.


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Propiedades tpicas promedio de algunos materiales metlicos

Material F (Mpa) M (Mpa) E (Gpa)

Acero inoxidables 280700 4001000 190210

Acero alta

resistencia340 - 1000 5501200 190210

Bronce comercial 82690 200830 3644

Latn laminado 70550 200620 3641

Aluminio 2014-T6 410 480 28

Cobre 55 - 760 230 - 830 4047


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El efecto de la temperatura (a) sobre la curva esfuerzo-deformacin (b) sobre

las propiedades de tensin de una aleacin de aluminio

Variables que afectan a la curva de tensin: Temperatura


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Curva esfuerzo deformacin acero de baja aleacin


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COMPORTAMIENTO DEL MATERIAL EN EL FORMADO DE METALES

La curva esfuerzo-deformacin ofrece una visin que permitecomprender el comportamiento de los metales durante su

formacin. La curva tpica de esfuerzo-deformacin para lamayora de los metales se divide en una regin elstica y unaregin plstica. En el formado de un metal, la regin plsticaes de inters primordial debido a que en estos procesos elmaterial se deforma plstica y permanentemente. En la

regin plstica, el comportamiento del metal se expresa porla curva de fluencia:

= Kn

Donde:K = coeficiente de resistencia, (MPa);n = es el exponente de endurecimiento por deformacin.


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Los valores tpicos de K y n para diferentes metales atemperatura ambiente se enlistan en la tabla

E f d fl i


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Esfuerzo de fluencia

La curva de fluencia describe la relacin esfuerzo-deformacin enla regin donde tiene lugar el formado del metal. Tambin indica el

esfuerzo de fluencia del metal, la propiedad de resistencia quedetermina las fuerzas y la potencia requerida para realizar unaoperacin particular de formado.El esfuerzo de fluencia se define corno el valor instantneo delesfuerzo requerido para continuar la deformacin del material o

mantener "fluyendo" al metal. sta es la resistencia a la fluenciadel metal en funcin de la deformacin, que puede expresarsecomo:

Yf = Kn

DondeYf = esfuerzo de fluencia, (Mpa).


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EFECTO DE LA TEMPERATURA DE DEFORMACIN

La ventaja ms significativa del trabajo en caliente es lacapacidad de producir deformaciones plsticassustanciales del metal, ms de las que son posibles conel trabajo en fro o el trabajo que se lleva a cabo por

debajo de la temperatura de recristalizacin. . La raznprincipal es que la curva de fluencia del metaltrabajado en caliente tiene un coeficiente de resistenciasustancialmente menor que a temperatura ambiente,

el exponente de endurecimiento por deformacin escero (al menos tericamente), y la ductilidad del metalse incrementa significativamente.

EFECTO DE LA VELOCIDAD DE DEFORMACION


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EFECTO DE LA VELOCIDAD DE DEFORMACION

La rapidez a la que se deforma el metal en un proceso deformado se relaciona directamente con la velocidad dedeformacin v. En muchas operaciones de formado, lavelocidad de deformacin es igual a la velocidad del punzn ode cualquier otro elemento mvil del equipo. Esto se visualizams fcilmente en un ensayo de tensin, como la velocidaddel cabezal de la mquina con respecto al cabezal. Dada la

rapidez de deformacin, la velocidad de deformacin sedefine Donde:

= velocidad de deformacin real, (m/seg/m), o simplementes-';h = altura instantnea de la pieza de trabajo que se deforma,(m).

Ya hemos observado que el esfuerzo de fluencia de un metal es una


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Ya hemos observado que el esfuerzo de fluencia de un metal es unafuncin de la temperatura. En las temperaturas del trabajo en caliente, elesfuerzo de fluencia depende de la velocidad de deformacin. El efecto dela velocidad de deformacin sobre las propiedades de resistencia seconoce como sensibilidad a la velocidad de deformacin. El efecto se

puede ver en la figura 3.4. Al aumentar la velocidad de deformacin, seincrementa la resistencia a la deformacin. Esto se representa usualmentecomo una lnea aproximadamente recta en una grfica log-log, lo cualconduce a la siguiente relacin.

Yf = C

m

Dnde:

C = es la constante de resistencia (similar pero no igual al coeficiente deresistencia en la ecuacin 3.1 de la curva de fluencia)

m = es el exponente de sensibilidad a la velocidad de deformacin.

El valor de C se determina a una velocidad de deformacin de 1.0 y m es lapendiente de la curva en la figura 3.4 (b).


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Ensayo de Compresin

Un ensayo de compresin se realiza de forma similar a un ensayo de traccin,

excepto que la fuerza es compresiva y la probeta se contrae a lo largo de ladireccin de la fuerza.

Esfuerzo ingenieril

Deformacin ingenieril

0A

F

0l

l

A0: rea seccin transversal original

Io: distancia original entre marcas

de calibracin

I: cambio de longitud despus de

haber aplicado el esfuerzo

Por convencin, una fuerza de compresin se considera negativa y, por

tanto, produce un esfuerzo negativo.


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Los ensayos de compresin se utilizan cuando se desea conocer el

comportamiento del material bajo grandes deformaciones permanentes

(deformacin plstica), tal como ocurren en los procesos de conformacin, o

bien cuando tiene un comportamiento frgil a traccin


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Las conclusiones sobresalientes de estas pruebas las podemos resumir enla siguiente forma:

Los materiales dctiles presentan los mismos valores en sus

caractersticas tanto en tensin como en compresin.

Los materiales frgiles no presentan punto de fluencia en ningn caso y el

esfuerzo de ruptura coincide con el esfuerzo mximo.

Los materiales frgiles presentan una resistencia mxima mucho mas

elevada en compresin que en tensin. Por ejemplo, en el caso de lafundicin gris, esta relacin es aproximadamente 4:1.


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Ensayo de dureza

La dureza implica, en general, una resistencia a la deformacin permanente.

Puede significar:

Resistencia a la penetracin (mecnica del ensayo de materiales)

Resistencia y tratamiento trmico (ingeniero de diseo)

Segn la forma del ensayo:

Dureza al rayado

Dureza a la penetracin

Dureza al rebote o dinmica


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Dureza por indentacin es la resistencia de un material a ser indentado

o penetrado.

Es el tipo usual de ensayo de dureza, en el cual se presiona,

directamente o por un sistema de palanca, un indentador cnico o

redondo sobre la superficie bajo una carga conocida substancialmente

esttica.

La dureza se expresa, para una carga y marcador especificados, por un

nmero inversamente proporcional a la profundidad de la indentacin o

proporcional a una carga media sobre el rea de huella.

Resistencia a la Indentacin


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Ensayo de dureza Rockwell

Ensayo de dureza Brinell

Ensayo de dureza Vickers


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Dureza Brinell

El ensayo consiste en comprimir sobre la superficie del metal, una bola de

acero de 10 mm de dimetro con una carga de 3000 kg.

- En los materiales blandos, se reduce la carga a 500 kg.

-En metales muy duros se emplea una bola de carburo de wolframio

La carga se aplica por un periodo de tiempo normalizado, generalmente de

30 seg, luego se mide la huella con un microscopio.


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F : carga aplicada en kg

D : dimetro del penetrador en mm

Di: dimetro de la impresin en mm

Dureza Brinell: (kg/mm2

)

Esquema del ensayo de dureza Brinell

Resistencia a la tensin = 500 BHN.


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Dureza Vickers

Se emplea como identador una pirmide de diamante de base cuadrada, las

caras opuestas de la pirmide forman un ngulo de 136 (corresponde a la

relacin ptima de dimetro de huella a dimetro de bola en el ensayo

Brinell)

Se define como la relacin de la carga al rea de la superficie de la huella.

Sus cargas van de 5 a 125 kilogramos (de cinco en cinco).

Se emplea Vickers para laminas tan delgadas como 0.006 pulgadas


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22 L

P1,854

L

/2)(senP2VickersDureza

P: carga aplicada en kg

L: media de la longitud de las dosdiagonales en mm

: ngulo formado por las caras opuestas

de la pirmide diamante = 136


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Dureza Rockwell

El ensayo utiliza la profundidad de la penetracin bajo carga constante,como medida de la dureza.

La maquina de ensayo mide en forma automtica la profundidad de

penetracin del indentador, y la convierte en un nmero de dureza

Rockwell (HR)


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El ensayo es aplicable a todo tipo de materiales metlicos:

a) Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar al

del ensayo Brinell.

b) Duros. Se utiliza como penetrador un cono de diamante de 120 de ngulo

de vrtice redondeado en la punta. Se usan cargas normalizadas de 60, 100

y 150 kilogramos

c) Pequeos espesores en materiales blandos o duros. Es el caso de flejes,

chapas delgadas o tambin sobre capas endurecidas, cementadas o

nitruradas. En este supuesto se usa la modalidad de pequeas cargas

especificadas en la norma, 3 kilogramos de precarga y 15, 30 o 45kilogramos de carga. Se conoce este tipo de ensayos como Rockwell

superficial.


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ESCALA CARGA (kg) PENETRADOR MATERIALES TIPICOS PROBADOS

A 60 Cono de diamante Materiales duros en extremo, carburosde wolframio, etc.

B 100 Bola de 1/16"

Materiales de dureza media, aceros al

carbono bajos y medios, latn, bronce,

etc.

C 150 Cono de diamanteAceros endurecidos, aleaciones

endurecidas y revenidas.

D 100 Cono de diamante Acero superficialmente cementado.

E 100 Bola de 1/8"Hierro fundido, aleaciones de aluminio y

magnesio.

F 60 Bola de 1/16" Bronce y cobre recocidos.

G 150 Bola de 1/16" Cobre al berilio, bronce fosforoso, etc.

H 60 Bola de 1/8" Placa de aluminio.

K 150 Bola de 1/8" Hierro fundido, aleaciones de aluminio.

L 60 Bola de 1/4"Plsticos y metales suaves, como el

plomo.

Ensayos Rockwell normalizados.


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Ensayo de impacto (Norma ASTM E-23)

Cuando un material se somete a un golpe repentino y violento, donde la

velocidad de deformacin es extremadamente rpida, se puede comportar en

una forma mucho ms frgil que la que se observa en el ensayo de tensin.

Se utiliza el ensayo de impacto para evaluar la fragilidad de un material.

Ensayo de Charpy: metales, aleaciones, cermicas

Ensayo de Izod: plsticos


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El ensayo de impacto (a) ensayo de Charpy e Izod

(b) dimensiones de muestras normales


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Durante el ensayo, un

pndulo pesado (45 kg)

que inicia su movimiento a

una altura h0, describe unarco, golpea y rompe la

probeta, y llega a una

altura final hfmenor.

Si se conocen las alturas

inicial y final del pndulo,

se puede calcular la

diferencia de la energa

potencial.

Esta diferencia es la

energa de impacto que

absorbi la muestra

cuando fall


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La probeta posee un entalle estndar para facilitar el inicio de la

fisura.

Las probetas que fallan en forma frgil se rompen en dos mitades, en

cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse.

Fotografas de probetas,

antes y despus del

ensayo


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Ensayo de Charpy: joule (J), lb pie

Ensayo de Izod: J/m, lb pie/pulg

1 lb pie = 1,356 J

Los valores obtenidos en este ensayo pueden diferir fuertemente si se

realiza a diferentes temperaturas

La capacidad de un material para resistir el impacto de un golpe se

llama tenacidad al impacto


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Propiedades que se obtienen en el ensayo de impacto:

Temperatura de transicin de dctil a frgil: es aquella a la cual un

material cambia de un comportamiento dctil a un comportamiento

frgil.

Un material sujeto a cargas de impacto durante las condiciones de

servicio deber tener una temperatura de transicin por debajo de la

temperatura de operacin determinada por el ambiente que rodea al

material.


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Ensayos de impacto para un polmero termoplstico de nylon

supertenaz


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No todos los materiales tienen una temperatura de transicin definida

La estructura cristalina FCC normalmente absorbe mayor energa, sin

mostrar temperatura de transicin


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Influencia del contenido de carbono sobre el comportamiento dctil-

frgil de un acero de baja aleacin:


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Relacin con el diagrama esfuerzo-deformacin:

La energa necesaria para romper un material durante un ensayo deimpacto, es decir, la tenacidad al impacto, no siempre se relaciona con la

tenacidad a la tensin (es decir, el rea contenida dentro del diagrama

esfuerzo-deformacin real)

En general, los metales que tienen alta resistencia y gran ductilidad,tienen buena tenacidad a la tensin, sin embargo, pueden presentar

comportamiento frgil cuando estn sujetos a velocidades de deformacin

alta, es decir, pueden mostrar pobre tenacidad al impacto, ya que la

velocidad de deformacin puede desplazar la transicin de dctil a frgil.

Los cermicos y muchos materiales compuestos tienen normalmente

tenacidad muy baja, aunque alta resistencia.

E d T id d


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Ensayo de Tenacidad

Liberty Ships:

2700 fabricados

400 fisurados

20 se partieron en dos Titanic


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Ejemplo:Se obtuvieron los siguientes datos de tensin-deformacin de un

acero o,2% C

Esfuerzo

(ksi)

Deformacin Esfuerzo

(ksi)

Deformacin

0

30

55

60

68

72

74

75

0

0,001

0,002

0,005

0,01

0,02

0,04

0,06

76

75

73

69

65

56

51

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,19

(fractura)


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a) Dibuje la curva tensin-deformacin

b) Determine la resistencia de cedencia con el criterio del 0,2% de

deformacin convencional

c) Determine la resistencia a la traccin del acero

d) El mdulo de elasticidad

e) Mdulo de resistencia


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Ejemplos

1. Se aplica una fuerza de 850 lb a un alambre de nquel de 0,15 pulg de

dimetro, que tiene una resistencia de cedencia de 45.000 psi y una

resistencia a la tensin de 55.000 psi. Determine:

a) Si el alambre se deformar plsticamente

b) Si el alambre tendr formacin de cuello

2. Una probeta de acero al carbono 1030 de 0,50 pulg. de dimetro se

ensaya hasta la fractura . El dimetro de la probeta en la zona de la

fractura fue de 0,343 pulg. Calcule el porcentaje de estriccin de la

muestra.


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3. Un cable de acero tiene 1,25 pulg de dimetro y 50 pies de longitud, y

con l se levanta una carga de 20 toneladas. Cul es la longitud del cable

durante el izamiento? El mdulo de elasticidad del acero es 30 x 106 psi.

4. Cuando se aplica una carga de 3.000 kg a una esfera de 10 mm de

dimetro en un ensayo Brinell de un acero, se produce una penetracin de

3,1 mm de dimetro. Estime la resistencia del acero a la tensin.


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5. Se efecto una serie de ensayos de impacto Charpy sobre cuatro aceros, con

distinto contenido de magnesio, cuyos resultados se muestran en tabla 1.

Grafique los datos y determine:

a) La temperatura de transicin (determinada como la media de las energas

absorbidas en las regiones dctil y frgil)

b) La temperatura de transicin (definida como la temperatura que

proporcionan 50 J de energa absorbida)

c) Grafique la temperatura de transicin en funcin del contenido de magnesio

y analice el efecto de este elemento sobre la tenacidad del acero. Culsera el contenido de magnesio mnimo posible en el acero si una pieza

fabricada con l debe utilizarse a 0 C?


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Tabla 1: Resultados de ensayo de Charpy

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