FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA

MONOGRAFÍA

“TÍTULO”

ENSAYOS MECÁNICOS

Autor (es):

- CARLOS SANTOS Julio Adriancine

- LEÓN PAUCAR Yofré Heyson

- LÓPEZ RODRÍGUEZ Mikhail

Asesor (es):

LEONIDAS GARCIA, Yauri

Chimbote – Perú

2015

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Ensayos Mecánicos

ÍNDICE

ÍNDICE I

INTRODUCCIÓN 1

CAPÍTULO 1: ENSAYOS MECÁNICOS EN LOS MATERIALES 2

1.1 DEFINICIÓN

1.2 LAS PROPIEDADES MECANICAS

1.3 VENTAJAS DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS

1.4 FACTORES QUE AFECTAN LOS RESULTADOS DE LOS ENSAYOS

1.4.1 HUMEDAD DEL MATERIAL

1.4.2 TEMPERATURA DEL MATERIAL

1.4.3 VELOCIDAD DE APLICACIÓN DE CARGA

1.4.4 DIRECCIÓN DE LA APLICACIÓN DE LA CARGA

1.5 APLICACIONES TÍPICAS

CAPÍTULO 2: TIPOS DE ENSAYOS MECÁNICOS

2.1 ENSAYOS DESTRUCTIVOS

2.1.1 TRACCIÓN

2.1.2 COMPRESIÓN

2.1.3 FLEXION

2.1.4 ROTURA O FRACTURA

2.1.5 IMPACTO

2.1.6 FATIGA

2.1.7 DUREZA

2.1.8 CORTE

2.1.9 TORSIÓN

2.1.10 PLEGADO

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Ensayos Mecánicos

2.2 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

2.2.1 ESCLEROMÉTRICOS

2.2.2 ULTRASÓNICOS

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Ensayos Mecánicos

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo monográfico titulada “Ensayos Mecánicos” fue realizada para el

curso de Ingeniería de Materiales I dentro del marco del cumplimiento de los lineamientos de

Investigación Formativa de la Universidad Nacional del Santa.

Todo ingeniero ya sea mecánico, técnico o industrial, debe conocer el tipo de material

con el cual va a trabajar, saber sus propiedades físicas, químicas, dureza, resistencia, esfuerzo,

deformación y otras propiedades importantes para la escogencia de este, dependiendo del

trabajo o maquinaria que valla a realizar, de igual manera este material debe cumplir con las

especificaciones de diseño y seguridad industrial ya sea para el buen manejo de las piezas y

para el trabajador.

Para realizar lo anterior se hace necesario cumplir con diferentes reglas y parámetros que

colaboran a la escogencia con un mínimo de error del material, para saber así cual es el más

adecuado para realizar una pieza cualquiera que sea, ya después de haber realizado ensayos

mecánicos que cumplen con la tarea anterior, tales como: tracción, flexión, compresión,

fuerza cortante e impacto.

Cabe destacar que, este conocimiento debe quedar plasmado en nuestras vidas. Así como

también al momento de dar utilidad práctica a este tipo de procesos.

Nuestro objetivo o propósito con respecto a este tema fue básicamente ampliar el

conocimiento en cuanto a los ensayos mecánicos. Para ello, realizamos el trabajo con el

objetivo específico de evidenciar los aspectos básicos de los ensayos mecánicos y

posteriormente, como segundo objetivo específico el estudio y análisis de cada uno de los

tipos de ensayos mecánicos.

En función de nuestros objetivos específicos abordaremos en el CAPÍTULO I la temática

de los ensayos mecánicos en los materiales, tales como definición, descripción, ventajas y

desventajas, factores que afectan los resultados de los ensayos y sus aplicaciones típicas y en

el CAPITULO II la temática de los tipos de ensayos mecánicos, en los cuales daremos a

conocer cada uno de los ensayos mecánicos tanto destructivos como no destructivos.

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Ensayos Mecánicos

Esperamos que el presente trabajo de investigación sirva de aporte a otras investigaciones

y cumpla las expectativas de los ávidos lectores.

CAPÍTULO 1: ENSAYOS MECÁNICOS EN LOS MATERIALES

1.1 DEFINICIÓN:

Se denomina ensayo mecánico de materiales a toda prueba cuyo fin es determinar y conocer

las propiedades mecánicas de un material: Tensión de Rotura, Límite Elástico, Alargamiento,

Estricción, Dureza, Resistencia al Impacto, Capacidad de doblado, etc…y por tanto podemos

clasificarlos atendiendo a las especificaciones normativas de cada uno.

Son medidas, indicaciones o manifestaciones de las propiedades de los materiales bajo ciertas

circunstancias de ensayo, que aportan una idea sobre el comportamiento del material. Un

ensayo debe ser significativo, confiable, reproducible, de precisión conocida y económica, por

lo que contar con procedimientos sistematizados es importante.

Además gracias a estos ensayos podemos comprobar que el material corresponde, en cada

caso, con el requerido por el cliente, asegurando así la calidad de los mismos.

1.2 LAS PROPIEDADES MECÁNICA

Las propiedades mecánicas pueden definirse como aquellas que tienen que ver con el

comportamiento de un material bajo fuerzas aplicadas. Las propiedades mecánicas se

expresan en términos de cantidades que son funciones del esfuerzo o de la deformación o

ambas simultáneamente.

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Ensayos Mecánicos

Las propiedades mecánicas fundamentales son la resistencia, la rigidez, la elasticidad, la

plasticidad y la capacidad energética. La resistencia de un material se mide por el esfuerzo

según el cual desarrolla alguna condición limitativa específica. Las principales condiciones

limitativas o criterios de falla son la terminación de la acción elástica y la ruptura. La dureza,

usualmente indicada por la resistencia a la penetración o la abrasión en la superficie de un

material, puede considerarse como un tipo o una medida particular de la resistencia. La

rigidez tiene que ver con la magnitud de la deformación que ocurre bajo la carga; dentro del

rango del comportamiento elástico, la rigidez se mide por el módulo de elasticidad.

La elasticidad se refiere a la capacidad de un material de deformarse no permanentemente al

retirar el esfuerzo. El término plasticidad se usa para indicar la capacidad de deformación en

el rango elástico o plástico sin que ocurra ruptura; un ejemplo de medición de la plasticidad es

la ductilidad de algunos metales, llamados dúctiles. La capacidad de un material para absorber

energía elástica depende de la resistencia y la rigidez; por ejemplo, la capacidad energética en

el rango de acción elástica se denomina resiliencia; la energía requerida para romper un

material se denomina tenacidad.

1.3 VENTAJAS DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS

Los ensayos mecánicos so de gran utilidad cuando necesitamos:

- Determinar propiedades del material, ya sea resistencia, ductilidad, tenacidad, etc.

- Determinar leyes de comportamiento del material bajo distintas situaciones para

diseño

- Poder seleccionar materiales.

- Modificar materiales en producción para cumplir propiedades deseadas.

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Ensayos Mecánicos

- Controlar la calidad, verificar el cumplimiento de las especificaciones técnicas

requeridas para el uso del material

- Desarrollar y producir nuevos materiales con distintas características mecánicas

- De los resultados obtenidos se puede obtener información Cualitativa, que ayuda al

entendimiento de los materiales, describen la estructura y comportamiento del material

en general, muestran el efecto de distintas variables sobre una propiedad dependiente y

permiten determinar las variables que conviene controlar para cumplir objetivo

1.4 FACTORES QUE AFECTAN LOS RESULTADOS DE LOS ENSAYOS

Los principales factores del procedimiento experimental que influyen sobre las propiedades

mecánicas medidas son:

1.4.1 HUMEDAD DEL MATERIAL

En general los materiales secos resisten más que los húmedos

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Ensayos Mecánicos

Relación entre resistencia y contenido de humedad en probetas picea sitchnesis

1.4.2 TEMPERATURA DEL MATERIAL

1.4.3 VELOCIDAD DE APLICACIÓN DE CARGA

La carga se debe aplicar en forma continua y sin choques a velocidad uniforme, cumpliendo

las siguientes condiciones:

- Alcanzar la rotura en un tiempo igual o superior a 100 seg. para el caso de hormigones.

- Velocidad de aplicación de carga no superior a 3.5 kgf/cm2/seg

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Ensayos Mecánicos

Influencia de la temperatura en el momento del ensayo

1.4.4 DIRECCIÓN DE LA APLICACIÓN DE LA CARGA

1.5 APLICACIONES TÍPICAS

Los ensayos pueden realizarse a cualquier tipo de material metálico: aceros al carbono,

aleados e inoxidables, aluminio y sus aleaciones, aleaciones de cobre (bronces, latones),

titanio, etc.

Asimismo, los ensayos pueden realizarse sobre muestras completas o sobre probetas

preparadas en los talleres de mecanizado con máquinas de corte, fresadoras, rectificadoras,

tornos, brochadoras, etc.

Los ensayos mecánicos se pueden aplicar en cualquier fase del proceso productivo:

• Diseño de componentes: leyes de comportamiento del material bajo distintas solicitaciones

• Selección de materiales

• Modificación de materiales por necesidad de cumplir con nuevas solicitaciones

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Ensayos Mecánicos

• Control de calidad de la producción

CAPÍTULO 2: TIPOS DE ENSAYOS MECÁNICOS

2.1 ENSAYOS DESTRUCTIVOS

2.1.1 TRACCIÓN

Ensayo de resistencia a la tracción

El ensayo de tracción es el más frecuentemente realizado en los materiales que se emplean

para la construcción de máquinas, porque nos suministra las más importantes propiedades

necesarias para formar juicio cobre el material. Durante el ensayo la probeta provista de

extremos con espaldilla de apoyo es colgada en la máquina de tracción y se va alargando,

determinándose al mismo tiempo los esfuerzos que señala la máquina. La forma de la probeta

al inicio, al momento de llegar a la carga máxima y luego de la ruptura se observa en la figura

1.

Figura 1: La probeta en un ensayo de tracción (Ver Anexo)

Estudio de la tracción

Ninguna construcción debe estar sometida a cargas que sobrepasen el límite de elasticidad del

material de cualquiera de sus partes, más aún se debe permanecer por debajo de ese límite

para contar con un margen de seguridad que permita afrontar cualquier contingencia

imprevista.

Probeta:

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Ensayos Mecánicos

Son generalmente barras de sección regular (normalizadas), o tomarse un tramo del producto

a ensayar, por ejemplo un trozo de varilla (industrial).- Sus extremidades son de mayor

sección, para facilitar la fijación de la probeta a la máquina de tracción.- En las probetas se

hacen dos marcas entre las cuales se mide la longitud l (puntos calibrados).

Realización de los Ensayos de Tracción.

Los ensayos de tracción, compresión y flexión pueden realizarse con una máquina Universal

Amster o similar, cuyo émbolo produce tracciones, compresiones y flexiones a voluntad,

aplicando las cargas deseadas a la probeta colocada y sujetada en la máquina por medio de

mordazas adecuadas. Si han de tomarse mediciones de alargamiento, lo primero es marcar el

tramo de calibración. Si las marcas se hacen rayando el material, estas marcas han de ser

ligeras para no dañarlo.

Figura 2: Esquema de la máquina de ensayo de tracción (Ver Anexo)

Diagrama de rotura por tracción

En este gráfico, se diferencian varias zonas: Una zona elástica, en la cual la probeta se

deforma como resultado del esfuerzo, pero si se suspende la carga, el material recupera su

forma original; una zona plástica, durante la cual el material sufre deformaciones

permanentes; una región en la cual el material se sigue deformando aún si se suspende el

esfuerzo; y finalmente la rotura del mismo.

2.1.2 COMPRESIÓN

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Ensayos Mecánicos

Las aéreas seccionales relativamente mayores de la probeta para ensayo de compresión para

obtener un grado apropiado de estabilidad de la pieza. Esto se traduce en la necesidad de una

máquina de ensayo de capacidad relativamente grande o probetas tan pequeñas y por lo tanto

tan cortas que resultan difíciles de obtener de ellas mediciones de deformaciones de precisión

adecuada. Se supone que desean las características simples del material y no la acción de los

miembros estructurales como columnas de modo de que la atención se limita aquí al bloque

de compresión corto.

El ensayo de compresión es un ensayo de materiales utilizado para conocer su

comportamiento ante fuerzas o cargas de compresión. Es un ensayo mucho menos empleado

que el ensayo de tracción, aplicándose en probetas de materiales que van a trabajar a

compresión pero de forma acelerada hasta llegar al punto de ruptura con el objetivo de

analizar la resistencia máxima que el mismo puede alcanzar. Este ensayo resulta esencial para

determinar los esfuerzos de compresión de los materiales debido a que se usa en

construcciones, tales como columnas y cimientos se encuentran a compresión, es muy similar

al de tensión, ya que a una probeta de un material dado se le somete a cargas y se mide su

deformación, de modo que se obtiene una gráfica similar al de tracción. A partir de la curva

citada se pueden definir tres puntos característicos principales como se observa en la figura 3.

Donde:

Y: Límite de fluencia: punto a partir del cual se producen deformaciones plásticas

permanentes: U: Límite de resistencia última o límite de rotura: punto en el que se la tensión

máxima de compresión

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Ensayos Mecánicos

F: Punto de fractura: punto en el que se produce la rotura de la probeta. La dimensión de las

probetas y la necesidad de máquinas de capacidades sumamente elevadas, lo que dificulta la

precisión de la prueba.

Figura 3: Probeta en un ensayo de Compresión. (Ver Anexo)

Probeta:

Probeta estándar: Las probetas para los ensayos de compresión de materiales metálicos

recomendados por la ASTM. Las probetas cortas son para usarse con metales antifricción. Las

de probetas medianas para uso general y las probetas largas para ensayo que determine el

módulo de elasticidad. El ensayo de compresión entre bloques es más conveniente para

obtener información sobre el comportamiento del material en procesos de conformado. En

conformado plástico de metales, la presión se describe como: tensión de fluencia del estado

tensional correspondiente, función de la fricción en la interface pieza-herramienta, función de

la geometría (de la pieza y de la herramienta).Ensayo de compresión entre bloque se somete al

material a una carga axial de compresión. Probetas: cilindros o prismas rectos de caras

paralelas. Aplicación de la carga: axial y centrada (para que el estado tensional sea uniforme)

Se miden cargas y acortamientos.

Requerimientos Para Probetas de Compresión

Para las probetas de compresión se prefieren probetas cilíndricas a cualquier otra forma. La

selección de una relación entre longitud y diámetro de la probeta es una elección que se toma

para evitar una serie de inconvenientes, ya que de ser muy ancha y muy corta, las mediciones

de deformaciones serían casi irrealizables, de ser muy larga y delgada, se daría una fractura

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Ensayos Mecánicos

por flexión, entonces se establece una relación determinada para evitar dichos efectos. El

tamaño de la relación depende del tipo de material, del tipo de mediciones y del aparato de

ensayo.

2.1.3 FLEXION:

En ingeniería se denomina flexión al tipo de deformación que presenta un elemento

estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal. El término

"alargado" se aplica cuando una dimensión es preponderante frente a las otras.

El esfuerzo de flexión puro o simple se obtiene cuando se aplican sobre un cuerpo pares de

fuerzas perpendiculares a su eje longitudinal, de modo que provoquen el giro de las secciones

transversales con respecto a las inmediatas.

Para realizar el ensayo se necesita vigas simplemente apoyadas, con la carga concentrada en

un punto medio (flexión práctica u ordinaria).

En estas condiciones además de producirse el momento de flexión requerido, se superpone a

un esfuerzo cortante, cuya influencia en el cálculo de la resistencia del material varia con la

distancia entre apoyos, debido a que mientras los momentos flectores aumentan o disminuyen

con esta, los esfuerzos cortantes se mantienen constantes, como puede comprobarse

fácilmente en la figura, por lo que será tanto menor su influencia cuanto mayor sea la luz

entre apoyos.

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Ensayos Mecánicos

Para ensayos más precisos la aplicación de la carga se hace por intermedio de dos fuerzas con

lo que se logra “flexión pura”.

Probetas:

Las variaciones que presentan las fundiciones en las distintas coladas y según sus

componentes, las normas indican como de extraer las muestras que se utilizarán en las

experiencias; por eso tenemos las fundidas con la pieza; que se preparan los para lo que

estarán dispuesto en condiciones tales que se evite la acumulación de impurezas en ellos y que

la solidificación se realice en idénticas condiciones que la de toda la masa metálica.

Diagramas:

En la figura 4 podemos observar el diagrama de los dos ensayos de flexión, como vemos en

el, el acero SAE 1045 presenta el límite a deformaciones elásticas a una carga mayor y

también al suspender el ensayo se nota claramente que a igual deformación, o sea flecha, la

carga es más elevada que el del SAE 1015.

Figura 4: Diagrama en un ensayo de Flexión (Ver Anexo)

Figura 5: Imágenes de Probetas en un ensayo de flexión.(Ver Anexo)

Los objetivos de los ensayos de flexión:

- Determinar una curva carga-desplazamiento del prototipo

- Determinar la distribución de deformaciones y de tensiones en la tela al estar solicitado el

elemento a flexión.

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Ensayos Mecánicos

El primero de los dos objetivos es más sencillo de conseguir, ya que simplemente se basa en

someter a uno de los prototipos realizados a un ensayo de flexión y medir la flecha. En

cambio, el segundo de los objetivos es más complicado, ya que para determinar el campo de

deformaciones se han de poner bandas extensométricas en la tela. La dificultad radica en la

colocación de las bandas extensométricas y en la interpretación de los resultados. Aunque se

podrían haber realizado las mediciones de deformaciones sobre la tela y la medición de la

flecha del prototipo en el mismo ensayo, se realizan independientemente.

.2.1.4 ROTURA O FRACTURA

El ensayo de fractura tiene por objetivo determinar las condiciones críticas que permiten la

fractura súbita de una pieza que se somete a tensiones uniaxiales. El ensayo de fractura es

básicamente igual al de tracción con la variación de la forma de la probeta y de los resultados

buscados. Así pues, la máquina de ensayo es una prensa hidráulica con las mismas

características de la de tracción y con registro de los parámetros: a) fuerzas aplicadas, b)

dimensión de grieta de la probeta.

La probeta del ensayo a fractura se indica en la figura 2.35, así como su montaje en las

mordazas de la prensa de tracción.

La probeta, según norma ASTM E399-81, dispone de una muesca mecanizada y una

ampliación de la grieta, conseguida mediante fatiga axial, lo que define una dimensión de

grieta inicial de ensayo de un valor "a".

La actuación de fuerzas axiales, F, origina el crecimiento de la grieta "a" en primera fase de

forma estable, pues aquella crece en relación con el crecimiento de las fuerzas, y por último

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Ensayos Mecánicos

de forma inestable o súbita, pues la pieza se rompe a velocidad del orden de la del sonido.

La causa del avance de la grieta es el incremento de tensiones existente en el fondo de la

grieta con relación a las tensiones nominales inducidas por la fuerza F.

Figura 6: Esquema de una probeta en un ensayo de Rotura (Ver Anexo)

Figura 7: a) Entalla superficial. b) Entalla cerrada. c) Representación del aumento de

tensiones en fondo de entalla (Ver Anexo)

La intensidad de la tensión en el extremo de la grieta, causa de su crecimiento, es función

tanto de la tensión nominal, s, como de la dimensión de la grieta existente, "a". Se define un

parámetro indicador de la intensidad de tensiones, denominado factor de intensidad de

tensiones KIC, definido por la expresión:

Que observa el comportamiento característico cuando se alcanzan las condiciones críticas,

crecimiento inestable de la grieta, cuando se alcanza el valor máximo ac para una tensión

aplicada de rotura, sc, o de la invariancia de ésta, factor que denominamos como KIC o

también tenacidad de fractura. En este supuesto se cumple:

Procedimiento del ensayo:

a) Elaborar probetas de aleación de aluminio, AA 7075, envejecida, de 10 mm de espesor,

según ASTM E399-81, con profundidades de grieta variables, "a".

b) Montar la probeta en las mordazas y aplicar fuerzas crecientes hasta la fractura súbita.

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Ensayos Mecánicos

c) Calcular las tensiones nominales de fractura.

d) Medir la dimensión crítica de grieta que antecedió a la fractura súbita por observación de

la estructura fibrosa o cristalina de la misma.

2.1.5 IMPACTO

Los ensayos de impacto se utilizan para la determinación del comportamiento de un material a

velocidades de deformación más altas. Los Péndulos clásicos determinan la energía absorbida

en el impacto por una probeta estandarizada, midiendo la altura de elevación del martillo del

Péndulo tras el impacto.

En elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de las cargas,

y no muestran deformaciones plásticas o por fragilidad, considerados como dúctiles. En estos

casos es conveniente analizar el comportamiento del material en experiencias de choque o

impacto. Los ensayos de choque determinan, la fragilidad o capacidad de un material de

absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario para introducir la fractura de la probeta

de un solo choque, el que se refiere a la unidad de área, para obtener lo que se denomina

resiliencia. El objeto del ensayo de choque es el de comprobar si una maquina o estructura

fallará por fragilidad bajo las condiciones que le impone su empleo, muy especialmente

cuando las piezas experimentan concentración de tensiones, por cambios bruscos de sección,

maquinados incorrectos, fileteados, etcétera, o bien verificar el correcto tratamiento térmico

del material ensayado.

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Ensayos Mecánicos

Método del ensayo:

Los ensayos de choque se realizan en máquinas denominadas péndulos o martillo pendulares,

en las que se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados por una masa

conocida a la que se deja caer desde una altura determinada, realizándose la experiencia en la

mayoría de los casos, de dos maneras distintas el método Izod y el método Charpy. En ambos

casos la rotura se produce por flexionamiento de la probeta, por lo que se los denomina

flexión por choque.

Las pruebas de impacto se utilizan para conocer cuánta energía puede absorber un material al

ser impactado. ¿QUÉ OCURRE AL PRODUCIRSE UN IMPACTO?. Cuando un cuerpo a

velocidad determinada golpea, se produce una transferencia de energía, esta produce un

trabajo en las partes que recibió el golpe. Además toma en cuenta la transferencia, absorción y

la disipación de energía. PROBETA PARA IMPACTO. Cuando se realizan ensayos de

impacto con aceros de alto y mediano contenido de carbono se pueden usar probetas sin

ranura debido a que son frágiles. Para lograr que se fracturen las probetas se recomienda se

ranuren en la forma siguiente:

a) Con entalladuras de forma de “V” que se usa para probetas de materiales fibrosos, dúctiles

y algunos materiales frágiles.

b) la entalladura en forma de “u” se usa en materiales considerados de dureza medio o mayor.

c) la entalladura en forma de ojo de cerradura se efectúa en materiales sintéticos como

plásticos, acrílicos, (materiales poliméricos).

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Ensayos Mecánicos

2.1.6 FATIGA

Un ensayo especial es el ensayo de fatiga con probeta rotatoria en el cual una probeta se hace

girar por medio de un motor, mientras se le aplica una carga conocida.

La probeta queda sometida a una flexión alternada, que se traduce en que un punto cualquiera

de la probeta queda sometido a un ciclo de cargas que va de tracción a compresión.

Esto produce fisuras que se van propagando lentamente, reduciendo el área hasta un punto tal

en que la probeta no pueda resistir la carga aplicada y se rompe.

En la figura 8 se observan la probeta, sostenida entre dos cabezales, un motor para girarla "n"

cantidad de vueltas y un contador de vueltas que registra la duración del ensayo.

Figura 8: Probeta durante un ensayo de Fatiga (Ver Anexo)

El ensayo de fatiga tiene por objetivo analizar las características resistentes de los materiales

cuando trabajan en las condiciones de fatiga prescritas.

Entre los parámetros fundamentales que califican el comportamiento característico ante la

fatiga de los materiales están:

A - La cinética de la carga aplicada en el tiempo, figura 9.

B - Tipo de tensiones engendradas en la pieza, como consecuencia de la aplicación de la

carga. Entre ellas citaremos:

-Axiales originadas por tracción o compresión.

-Axiales originadas por flexiones.

-Cortantes causadas por torsión.20

Ensayos Mecánicos

-Combinadas.

C - Tipo de trabajo característico del conjunto de la pieza en la máquina. Entre ellos citamos:

-Tracción.

-Flexión plana.

-Flexión rotativa.

-Torsión.

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Ensayos Mecánicos

El tipo de trabajo, tipo de tensiones y cinética de la carga determina una gran variedad de

ensayos de fatiga.

Se consigue reducir esta gran variedad:

a) Normalizando la cinética de la carga a una aplicación senoidal definida por la carga

media, Fm, la semiamplitud, Fa, y la frecuencia, f, figura 10.

b) Reduciendo los estados de tensiones de la probeta a los que suceden en los casos

descritos en C, tracción, flexión plana y flexión rotativa, para el tipo de probeta

seleccionado.

Figura 9: Ejemplo de cinética de carga aplicada. (Ver Anexos)

Figura 10: Cinética de la carga normalizada. (Ver Anexos)

La máquina para ensayos de fatiga:

Quizás el más universal, por la sencillez de la máquina de ensayo, es el de flexión

rotativa, que se representa en la figura 2.21. Consiste en un motor que arrastra un eje

giratorio, sobre el que se monta una probeta que queda en voladizo. Sobre este extremo

volado, gravita una carga P, la que se mantiene sin giro por el rodamiento que las liga.

La máquina para ensayos de fatiga debe permitir el control y registro de los parámetros de

ensayo, siguientes:

-Cargas aplicadas, F.

-Contador de vueltas de la probeta, n.

-Velocidad angular, rpm.

Figura 11: Máquina de fatiga de flexión rotativa (Ver Anexos)

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Ensayos Mecánicos

Procedimiento de ensayo

a) Elaborar probetas cilíndricas de acero AE 275 para ensayos de fatiga de flexión

rotativa, según norma UNE 7118.

b) Calcular la carga Fi que induce tensiones axiales si en la generatriz de la probeta en su

sección de empotramiento, S, del orden de x% del límite elástico Le. Considerar el valor

obtenido en el ensayo de tracción.

c ) Someter la probeta a tensiones si, mediante la carga Fi, controlando, mediante paradas

secuenciales, la iniciación de la grieta de fatiga. Registrar los ciclos que determinan la

iniciación de esta grieta.

d) Proseguir el ensayo registrando, mediante paradas secuenciales, el tamaño de la grieta

y el número de ciclos transcurridos hasta la aparición de la fractura total.

e) Observar las fracturas de fatiga.

f) Realizar esta secuencia para las cargas Fi que inducen tensiones de 30, 40, 50, 60 y

80% del límite elástico, Le.

2.1.7 DUREZA

Desde el punto de vista físico se define la dureza como la resistencia que oponen los

cuerpos a ser rayados o penetrados por otros con los que se compara.

Desde este punto de vista mecánico un ensayo de dureza es un ensayo de compresión

hasta la rotura, cuyas formas de fractura es función del penetrador. Existe otro concepto de

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Ensayos Mecánicos

dureza y es el que se refiere a la capacidad de devolución de energía elástica que tienen los

cuerpos.

Existen ensayos de dureza basados en este principio, devolución de energía, que recoge la

información aportada por el ensayo de tracción, sólo, en su periodo elástico. Es el ensayo

SHORE que desarrollamos en esta unidad

El ensayo de dureza es, juntamente con el de tracción, uno de los más empleados en la

selección y control de calidad de los metales.

Intrínsecamente la dureza es una condición de la superficie del material y no representa

ninguna propiedad fundamental de la materia.

MÉTODOS DE DUREZA:

*Ensayo estático de penetración.

*Ensayo de rebote.

*Ensayo de rayado.

*Ensayo de abrasión y erosión.

Ensayo de penetración:

Define la dureza como la resistencia a la penetración o resistencia a la deformación

plástica que opone un material a ser presionado por un penetrador determinado y bajo la

acción de cargas preestablecidas.

DUREZA BRINELL.

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Ensayos Mecánicos

Consiste en comprimir sobre la superficie del material a ensayar una bolilla de acero muy

duro durante un cierto tiempo (t) produciendo una impresión con forma a casquete

esférico.

Figura 12: Dureza Brinell (Ver Anexo)

DUREZA ROCKWELL

Se calcula la dureza con la profundidad de penetración y la carga total no se aplica en

forma continua.

El valor se obtiene directo del dial del indicador. La dureza está dada por el incremento de

penetración debido a la acción de la carga adicional. La medición de dureza por el método

Rockwell es facilidad de realización. El método se basa en la medición de la profundidad

de penetración de una determinada herramienta bajo la acción de una carga prefijada.

El número de dureza Rockwell (HR) se mide en unidades convencionales y es igual al

tamaño de la penetración sobre cargas determinadas. El método puede utilizar diferentes

penetradores siendo éstos esferas de acero templado de diferentes diámetros.

Figura 13: Dureza Rockwell (Ver Anexo)

DUREZA VICKERS

Es semejante a la de Brinell o sea su valor depende de la carga aplicada y de la superficie

de la impronta o huella.

Este método es muy difundido porque permite medir dureza en todos los materiales

metálicos independientemente del estado en que se encuentren y de su espesor.

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Ensayos Mecánicos

El procedimiento emplea un penetrador de diamante en forma de pirámide de base

cuadrada. Tal penetrador es aplicado perpendicularmente a la superficie cuya dureza se

desea medir, bajo la acción de una carga P.

Esta carga es mantenida durante un cierto tiempo, después del cual es retirada y medida la

diagonal de la impresión que quedó sobre la superficie de la muestra.

Figura 14: Dureza Vickersl (Ver Anexo)

DUREZA MARTENS

Se basa en la medida de la anchura de la raya que produce en el material una punta de

diamante de forma piramidal y de ángulo en el vértice de 90º, con una carga constante y

determinada. Se aplica sobre superficies nitruradas. Se mide “a” en micras y la dureza

Martens viene dada como se muestra en la figura 15.

Figura 15: Dureza Martens (Ver Anexo)

2.1.8 CORTE

Utilizado en maderas, ladrillos y hormigón. Ensayo imperfecto debido a existencia de

tensiones de flexión.

El ensayo de corte tiene poca aplicación práctica, pues no permite deducir de él algunas

características mecánicas importantes del material que se ensaya; es por eso que rara vez

lo solicitan.

El esfuerzo de corte no puede ser obtenido prácticamente como un esfuerzo puro o simple,

generalmente va acompañado por otro de flexión, cuyo valor variará según el

procedimiento a seguir pues es indudable que si se considera una sola cuchilla su

26

Ensayos Mecánicos

importancia decrecerá, aunque también en este caso tendrá una pequeña influencia en el

valor obtenido la dureza del filo y la penetración en cuña del mismo.

2.1.9 TORSIÓN

La Torsión en sí, se refiere a la deformación helicoidal que sufre un cuerpo cuando se le

aplica un par de fuerzas (sistema de fuerzas paralelas de igual magnitud y sentido

contrario). La torsión se puede medir observando la deformación que produce en un objeto

un par determinado. Por ejemplo, se fija un objeto cilíndrico de longitud determinada por

un extremo, y se aplica un par de fuerzas al otro extremo; la cantidad de vueltas que dé un

extremo con respecto al otro es una medida de torsión. Los materiales empleados en

ingeniería para elaborar elementos de máquinas rotatorias, como los cigüeñales y árboles

motores, deben resistir las tensiones de torsión que les aplican las cargas que mueven.

El ensayo de torsión es un ensayo en que se deforma una muestra aplicándole un par

torsor.

La deformación plástica alcanzable con este tipo de ensayos es mucho mayor que en los de

tracción (estricción) o en los de compresión (Abarrilamiento, aumento de sección).

Da información directamente del comportamiento a cortadura del material y la

información de su comportamiento a tracción se puede deducir fácilmente.

La torsión en sí se refiere a un desplazamiento circular de una determinada sección

transversal de un elemento cuando se aplica sobre éste un momento torsor o una fuerza

que produce un momento torsor alrededor del eje. El ángulo de torsión varía

longitudinalmente.

Descripción del ensayo de torsión:

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Ensayos Mecánicos

El ensayo de torsión consiste en aplicar un par torsor a una probeta por medio de un

dispositivo de carga y medir el ángulo de torsión resultante en el extremo de la probeta.

Este ensayo se realiza en el rango de comportamiento linealmente elástico del material.

Los resultados del ensayo de torsión resultan útiles para el cálculo de elementos de

máquina sometidos a torsión tales como ejes de transmisión, tornillos, resortes de torsión y

cigüeñales.

Las probetas utilizadas en el ensayo son de sección circular. El esfuerzo cortante

producido en la sección transversal de la probeta (t ) y el ángulo de torsión (q ) están dados

por las relaciones que se muestran en la figura 16.

Donde T: Momento torsor (N.m)

C: Distancia desde el eje de la probeta hasta el borde de la sección transversal (m) c = D/2

: Momento polar de inercia de la sección transversal (m4)

G: Módulo de rigidez (N/m2)

L: Longitud de la probeta (m)

Figura 16: Esfuerzo cortante producido en la sección transversal en un ensayo de torsión

(Ver Anexos)

2.1.10 PLEGADO

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Ensayos Mecánicos

El plegado a temperatura ambiente es un ensayo tecnológico derivado del de flexión, se

realiza para determinar la ductilidad de los materiales metálicos (de él no se obtiene

ningún valor específico).

Este ensayo es solicitado en barras y perfiles de acero, para la comprobación de la

tenacidad de los mismos y después de haber por el tratamiento de recocido. El material se

coloca entre los soportes cilíndricos, aplicando la carga lentamente hasta obtener el ángulo

de plegado especificado para el mismo, o cuando aparecen las primeras fisuras en la cara

inferior.

Ensayo de plegado

Se realiza sobre las probetas que fueron sometidas a flexión.

En la máquina de ensayo Baldwin se realizó la primera etapa de plegado hasta un ángulo

superior a 90º y luego sometido a una prensa y se terminó en un plegado con forma de

“U”.

Si ambas probetas no presenta grietas y resquebrajaduras a simple vista son aptos para

hacer plegados.

Se reconocen dos tipos de plegado:

Plegado con calza, donde se interpone una paralela entre las caras interiores de la probeta

cuando es plegada, quedando los laterales de los mismos paralelos entre sí.

Plegado a fondo, en este tipo de solicitación los extremos se tocan y la superficie plegada

es sometida a un esfuerzo mayor.

Figura 17 : Ensayos de plegado (Ver Anexos)

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Ensayos Mecánicos

2.2 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

2.2.1 ESCLEROMÉTRICOS

Mide dureza superficial y la correlaciona con resistencia a compresión en hormigones.

Los ensayos esclerométricos son ensayos no destructivos que permiten evaluar la calidad

del hormigón en elementos de hormigón armado. Este ensayo utiliza el esclerómetro de

Schmidt, que mide la dureza superficial del hormigón a partir del rebote de una masa

incidente después de impactar contra la superficie de estudio. Este rebote es entonces

convertido en un valor de resistencia a compresión a través de ábacos. El ensayo debe

realizarse en superficies de hormigón homogéneas, debiéndose efectuar previamente la

eliminación de la capa superficial carbonatada mediante raspado.

Figura 18 : Ensayos de esclerométricos (Ver Anexos)

2.2.1 ULTRASÓNICOS

Mide módulo de elasticidad por velocidad de transmisión de ondas ultrasónicas y lo

correlaciona con resistencia a compresión.

Recientemente se ha registrado un gran número de accidentes causados por problemas

relacionados con la durabilidad de las estructuras de hormigón y debidos a un inadecuado

proyecto de diseño, ausencia de control de calidad durante la ejecución del proyecto,

prácticas inadecuadas de construcción y un ambiente agresivo. Este hallazgo ha dado lugar

a que los ingenieros realicen constantes inspecciones y evaluaciones de la condición real

de todas las estructuras de hormigón. Para llevar a cabo estas inspecciones, se debe

conocer no sólo el módulo de elasticidad, para analizar el comportamiento estructural del

hormigón, sino, también, investigar su desarrollo, ya que los esfuerzos pueden originar

30

Ensayos Mecánicos

grietas que comprometan la durabilidad de las estructuras. Varias técnicas no-destructivas,

particularmente ensayos ultrasónicos, se han desarrollado para evaluar y determinar la

calidad de una estructura o un elemento de hormigón. Actualmente, este tipo de pruebas

ha sido ampliamente investigado y analizado, ya que permiten el examen de las estructuras

sin afectarlas. El propósito del presente estudio fue correlacionar la velocidad del pulso

ultrasónico y el módulo de elasticidad estático de cierto número de probetas de hormigón

elaborados variando la relación agua/cemento, usando diferentes tipos de áridos y métodos

de curado.

CONCLUSIONES

Con estos ensayos o experimentos mecánicos se pueden identificar las características necesarias e identificar las propiedades específicas de cada material, para poder así realizar una pieza.

Existen diversos tipos de ensayos mecánicos, cada una nos permite saber propiedades mecánicas específicas de los materiales que nos será de utilidad de diversas maneras como poder seleccionar materiales, modificar materiales en producción para cumplir propiedades deseadas, controlar la calidad, verificar el cumplimiento de las especificaciones técnicas requeridas para el uso del material, desarrollar y producir nuevos materiales con distintas características mecánicas

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Ensayos Mecánicos

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

http://www.atisae.com/servicios/ensayos-mecanicos-materiales

http://descom.jmc.utfsm.cl/proi/materiales/ENSAYOS.htm

http://ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-materiales-industriales/bloque-iii/Tema- 7-Ensayos_mecanicos.pdf

https://alojamientos.uva.es/guia_docente/uploads/2012/455/42620/1/Documento6.pdf

http://html.rincondelvago.com/ensayo-de-traccion.html

https://es.scribd.com/doc/2469675/Ensayos-mecanicos-traccion

http://es.scribd.com/doc/43700551/Ensayo-de-Compresion#scribd

http://www.ecured.cu/Ensayos_de_Tracci%C3%B3n_y_Compresi%C3%B3n

http://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/6229/06.pdf?sequence=7

http://trabajofinal2009.blogspot.pe/2009/11/ensayo-de-flexion.html

http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm02/fcm2_6.html

http://es.slideshare.net/martinperezjimenez5/prueba-de-impacto?next_slideshow=1

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Ensayos Mecánicos

http://trabajofinal2009.blogspot.pe/2009/11/ensayo-de-plegado.html

ANEXOS

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Figura 1. La probeta en un ensayo de Tracción

Figura 2. Esquema de la máquina de

ensayo de tracción

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Figura 3. Descripción del equipo TIG

Figura 3. La probeta en un ensayo de Compresión

Figura 4. Diagrama en un ensayo de Flexión

Figura 5. Probetas en un ensayo de flexión

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.

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Figura 7. a) Entalla superficial. b) Entalla cerrada. c) Representación del aumento de tensiones en fondo de entalla.

Figura 6. Esquema de la probeta para ensayo a fractura.

Figura 8. Probeta durante un ensayo de Fatiga

Figura 9. Ejemplo de cinética de carga aplicada

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Figura 10. Cinética de la carga normalizada.

Figura 11. Máquina para ensayos de fatiga

Figura 12. Dureza Brinell

Figura 13. Dureza Rockwell

Figura 14. Dureza Vickersl

Figura 15. Dureza Martens

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Figura 16: Esfuerzo cortante producido

en la sección transversal en un ensayo de

torsión

Figura 18. Ensayos de esclerométricos

Figura 17. Ensayos de plegado

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