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ENSAYOS DESTRUCTIVOS
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE TLAXCALA
PROGRAMA EDUCATIVO:
INGENIERIA EN MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
MANUAL DE LA ASIGNATURA:
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
AUTOR: M.C. JOSÉ LUIS HERNÁNDEZ CORONA
FECHA DE PUBLICACIÓN: 24-SEPTIEMBRE-2010
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
INDICE
Contenido I.- FENÓMENOS DE DEGRADACIÓN EN LOS MATERIALES ............................................... 5
Tipos de corrosión más comunes. ....................................................................................................... 5
Fundamentos ...................................................................................................................................... 5
Efectos de la corrosión. ....................................................................................................................... 7
Formas o tipos en las que se presenta la corrosión. .......................................................................... 8
Predicción / Medición de la degradación (generalizada). ........................................................ 13
Predicción / Medición de la degradación (localizada). ..................................................................... 14
Velocidad de Propagación de Picaduras. .......................................................................................... 18
Tipos de degradación mecánica (Fatiga, Cavitación, Erosión, Fluencia, Fragilización,
Desgaste, Tensiones residuales). .............................................................................................. 19
Corrosión por fatiga. ......................................................................................................................... 22
II. CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ...................................................................................... 25
ESTUDIO DE MATERIALES. ................................................................................................................. 25
ENSAYOS ESTÁTICOS ......................................................................................................................... 26
ENSAYOS DE COMPRESIÓN ............................................................................................................... 27
ENSAYOS DE TENSIÓN ....................................................................................................................... 29
ENSAYO DE DUREZA .......................................................................................................................... 35
ENSAYO BRINELL ............................................................................................................................... 36
ENSAYO ROCKWELL ........................................................................................................................... 37
ENSAYO VICKERS ............................................................................................................................... 38
ENSAYO DE TORSIÓN ........................................................................................................................ 40
ENSAYO DE FLEXIÓN.......................................................................................................................... 42
ENSAYO DE PANDEO ......................................................................................................................... 43
ENSAYO DE FATIGA ........................................................................................................................... 45
ENSAYO DE IMPACTO ........................................................................................................................ 48
III. DEFORMACIÓN CRISTALINA Y ESTRUCTURAL DEL MATERIAL. .................................................... 52
ANÁLISIS METALOGRÁFICO. .............................................................................................................. 52
FORMA DE GRANO Y FASES .............................................................................................................. 55
CONSTITUCIÓN Y ESTRUCTURA. ....................................................................................................... 55
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
ENLACES METÁLICOS......................................................................................................................... 56
FASES DE LA APLICACIÓN METALOGRÁFICA. .................................................................................... 57
MICROSCOPIA ÓPTICA. ..................................................................................................................... 58
MICROSCOPIA ELECTRÓNICA. ........................................................................................................... 60
MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE TRANSMISIÓN. .............................................................................. 61
MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO. ...................................................................................... 61
IV. ANALISIS DE FALLA ....................................................................................................................... 62
MODOS DE FALLA. ............................................................................................................................. 62
TEORÍA DE FALLAS. ............................................................................................................................ 64
CRITERIO DE FALLA. ........................................................................................................................... 64
FORMA DEL CRITERIO DE FALLA. ...................................................................................................... 68
EL DESLIZAMIENTO ............................................................................................................................ 71
DESLIZAMIENTO EN LA RED PERFECTA. ............................................................................................ 73
DESLIZAMIENTO POR MOVIMIENTO DE DISLOCACIONES. ............................................................... 74
DESLIZAMIENTO POR MOVIMIENTO DE UNA DISLOCACIÓN ........................................................... 75
MAGNITUD DE LA DEFORMACIÓN POR MOVIMIENTO DE DISLOCACIONES. ................................... 76
DENSIDAD DE DISLOCACIONES. ........................................................................................................ 77
FRACTURA. ........................................................................................................................................ 79
PLASTICIDAD...................................................................................................................................... 82
PANDEO ............................................................................................................................................. 85
PANDEO ELÁSTICO. ........................................................................................................................... 86
PANDEO FLEXIONAL. .................................................................................................................. 87
PANDEO LOCAL. ................................................................................................................................ 88
PANDEO GLOBAL. .............................................................................................................................. 89
PANDEO TORSIONAL. ........................................................................................................................ 91
CURVA ELÁSTICA. .............................................................................................................................. 92
DIMENSIONADO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A PANDEO. .............................................................. 93
ELEMENTO FINITO ............................................................................................................................. 95
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
I.- FENÓMENOS DE DEGRADACIÓN EN LOS MATERIALES
Tema 1.- Tipos de Corrosión en Materiales y los factores que la propician.
Objetivo. El alumno diferenciará los distintos tipos de corrosión y los factores que
los propician.
Resultados de aprendizaje.- El alumno elaborará un mapa conceptual donde estén
definidos los distintos fenómenos de degradación a los que están sometidos los
materiales.
Tipos de corrosión más comunes.
Saber. - Explicar los tipos de corrosión más comunes en los materiales utilizados
en equipos e instalaciones y los factores que la agudizan.
Saber hacer.- Diferenciar y diagnosticar los tipos de corrosión más comunes que
sufren los materiales y los factores que los provocan y aceleran
(presión, temperatura, esfuerzo, ambiente -seco, húmedo, polvoso, ácido, alcalino,
radioactivo, flujo turbulento, etc.).
Fundamentos.
Se suele limitar el concepto "corrosión" a la destrucción química o electroquímica
de los metales, sin en cambio este proceso ocurre por diferentes factores tanto
naturales como por procesos desarrollados en el ambiente industrial.
A continuación se dan algunas definiciones:
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
1.- La corrosión puede ser definida como la reacción de un material con su
entorno.
2.- La corrosión consiste en una oxidación del metal y, si el óxido no es adherente
y es poroso, puede dar lugar a la destrucción de todo el metal.
3.- Corrosión: ataque de un material por el medio que le rodea con la consiguiente
pérdida de masa y deterioro de sus propiedades.
4.- Corrosión es la destrucción de un cuerpo sólido causada por un ataque no
provocado, de naturaleza química o electroquímica que se inicia en la superficie.
Esta última es la definición más generalmente aceptada, originaria del
"Reichanschuss für Metallschutz". En cualquier caso, la corrosión es un proceso
destructivo en lo que a ingeniería se refiere, y representa una enorme perdida
económica.
5.- La corrosión de los metales también puede ser considerada como el proceso
inverso de la metalurgia extractiva. Muchos metales existe en la naturaleza en
estado combinado, por ejemplo, como óxidos, sulfatos, carbonatos o silicatos. En
estos estados, las energías de los metales son más bajas. En el estado metálico
las energías de los metales son más altas, y por eso, hay una tendencia
espontánea de los metales a reaccionar químicamente para formar compuestos.
Fig 1. Proceso de obtención y corrosión de los metales
6.- Se entiende por corrosión la interacción de un metal con el medio que lo rodea,
produciendo el consiguiente deterioro en sus propiedades tanto físicas como
químicas. Las características fundamental de este fenómeno, es que sólo ocurre
en presencia de un electrólito, ocasionando regiones plenamente identificadas,
llamadas estas anódicas y catódicas: una reacción de oxidación es una reacción
anódica, en la cual los electrones son liberados dirigiéndose a otras regiones
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
catódicas. En la región anódica se producirá la disolución del metal (corrosión) y,
consecuentemente en la región catódica la inmunidad del metal.
Efectos de la corrosión.
El efecto de la corrosión es, en el peor de los casos, la destrucción total de un
componente, pero también da lugar a otros problemas, que por menos
contundentes no dejan de ser perjudiciales y, en algunos casos, peligrosos para la
seguridad de las personas. Por citar algunos se podría hablar de inicios de
fractura, fugas en tanques o conducciones, merma de resistencia mecánica en
estructuras o en partes de máquina, desviaciones del funcionamiento normal de
equipos, contaminación debida a las sustancias que se producen en la corrosión y
perjuicio en el aspecto estético.
Se pueden distinguir entre dos tipos básicos de corrosión: la corrosión
generalizada o corrosión uniforme y la corrosión localizada.
La corrosión generalizada afecta más o menos por igual a todos los puntos de la
pieza. La corrosión general solo se observa en puntos concretos. En general, la
localizada supone perdidas pequeñas de material, pero sus consecuencias son
peores.
La corrosión general permite un mayor seguimiento y previsión, ya que la
corrosión localizada es menos previsible y su evolución es mucho menos regular.
Electroquímica: Aunque el aire atmosférico es el medio más común, las
soluciones acuosas son los ambientes que con mayor frecuencia se asocian a los
problemas de corrosión. En el término solución acuosa se incluyen aguas
naturales, suelos, humedad atmosférica, lluvia y soluciones creadas por el
hombre. Debido a la conductividad iónica de estos medios, el ataque corrosivo es
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
generalmente electroquímico.
La definición más aceptada en la bibliografía alemana, elaborada por Lange,
entiende por corrosión electroquímica "el paso de electrones e iones de una fase a
otra limítrofe constituyendo un fenómeno electrónico, es decir, transformaciones
materiales con la cooperación fundamental, activa o pasiva, de un campo eléctrico
macroscópico, entendiéndose por macroscópico aquel campo eléctrico que tiene
dimensiones superiores a las atómicas en dos direcciones del espacio.
Formas o tipos en las que se presenta la corrosión. Uniforme: La corrosión uniforme puede ser descrita como una reacción de
corrosión que ocurre por igual en toda la superficie del material, causando un
pérdida general del metal.
Fig. 2. Corrosión en pieza metálica
Galvánica: Definición: corrosión acelerada que puede ocurrir cuando metales
distintos, se unen eléctricamente en presencia de un electrolito (por ejemplo, una
solución conductiva).
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
El ataque galvánico puede ser uniforme o localizado en la unión entre aleaciones,
dependiendo de las condiciones. La corrosión galvánica puede ser particularmente
severa cuando las películas protectoras de corrosión no se forman o son
eliminadas por erosión.
Por picadura (Pitting): La corrosión por picadura es un tipo de corrosión
altamente localizada que frecuentemente se observa en superficies con poca o
ninguna corrosión general.
Las picaduras ocurren como un proceso de disolución local anódica, fig. 2 donde
la pérdida de metal es aumentada por la presencia de un ánodo pequeño y un
cátodo grande. Las picaduras suelen ser de pequeño diámetro (décimas de
milímetro).
Fig. 3. Corrosión por picadura
Por fisuras: Alrededor del hueco formado por contacto con otra pieza de metal
igual o diferente a la primera o con un elemento no metálico.
Fig. 4. Fisuras entre dos piezas
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Erosión: La corrosión por erosión está causada o acelerada por el movimiento
relativo de la superficie de metal y el medio. Se caracteriza por rascaduras en la
superficie paralelas al movimiento.
La erosión suele prevalecer en aleaciones blandas (por ejemplo, aleaciones de
cobre, aluminio y plomo). Las aleaciones que forman una capa pasivante
muestran una velocidad limite por encima de la cual la erosión aumenta
rápidamente. Otros factores como turbulencia, cavitación, o efectos galvánicos
pueden aumentar la severidad del ataque.
Fig. 5. Corrosión por agentes atmosféricos
Intergranular: La corrosión intergranular se refiere a la corrosión selectiva de los
límites de grano en metales y aleaciones. Los límites de grano son zonas de alta
energía debido a la gran proporción de dislocaciones en la estructura natural del
material. Este ataque es muy común en algunos aceros inoxidables y aleaciones
de níquel.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Exfoliación: Corrosión en los límites de grano paralelos a la superficie del metal
donde los productos de corrosión separan el metal. También llamada corrosión
laminar.
Corrosión bajo tensión: Ataque de un material por la acción conjunta de dos
causas: química (agresivo químico) y física (tensión mecánica). Por separado,
ninguna ataca al material.
La progresión de la corrosión bajo tensión es de tipo arbóreo. Sigue los límites de
los cristales (corrosión por límite de grano o corrosión intergranular).
Por fatiga: Producida por la unión de una tensión cíclica y de un agente corrosivo.
El ataque es transgranular (rotura recta).
Corrosión por rozamiento: El ataque ocurre cuando dos piezas de metal se
deslizan un encima del otro y causan daños mecánicos a uno o a los dos
elementos.
En algunos casos, el calor de fricción oxida el metal y su óxido se elimina. En otros
casos, la eliminación mecánica de la capa pasivante expone la superficie limpia
del metal a los ataques corrosivos.
Ataque por hidrógeno: A temperaturas elevadas y presión parcial de hidrógeno
alta, hidrogeno penetra el acero al carbono, reaccionando con el carbón del acero
para formar metano. La presión generada causa una pérdida de ductilidad
(fragilización por hidrógeno, "hydrogen embrittlement") y fallos por rotura o
formación de burbujas en el acero. La eliminación de carbono del acero
(descarburización) provoca el descenso de la resistencia del acero.
Pérdida selectiva: Es el proceso donde un elemento específico es eliminado de
una aleación debido a una interacción electroquímica con el medio. La
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
deszincación de aleaciones de latón es el ejemplo más común de este tipo de
corrosión.
Suele ocurrir cuando el metal es expuesto a aguas blandas y puede ser acelerada
por concentraciones altas de dióxido de carbono y la presencia de iones cloruro.
Corrosión por suelos, son los procesos de degradación que son observados en
estructuras enterradas. La intensidad dependerá de varios factores tales como el
contenido de humedad, composición química, pH del suelo, etc. En la práctica
suele utilizarse comúnmente el valor de la resistividad eléctrica del suelo como
índice de su agresividad; por ejemplo un terreno muy agresivo, caracterizado por
presencia de iones tales como cloruros, tendrán resistividades bajas, por la alta
facilidad de transportación iónica.
Tema 2.- Fundamentos y factores de la degradación de los materiales (por Fatiga,
Cavitación, Erosión, Fluencia, Fragilización, Desgaste, Tensiones residuales)
Objetivo. El alumno diferenciará los distintos fenómenos de degradación a los que
están sometidos los materiales usados en equipos e instalaciones, para
diagnosticar las posibles fallas de los mismos, mediante la comprensión de los
factores que la agudizan.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Fig. 6. Gráfica velocidad-tiempo en la corrosión
Para determinar los fundamentos y sus factores de la degradación en los
materiales y realizar un diagnóstico del comportamiento que sufren a
consecuencia de la degradación por fatiga, corrosión, cavitación, erosión, desgaste y
tensiones residuales y indispensable comprender todos los factores que la provocan y
aceleran.
Predicción / Medición de la degradación (generalizada).
∙ Predicción
- Si las velocidades de corrosión son
lineales o decrecen con el tiempo
∙ Medición
- Penetración por unidad de tiempo
- Milímetros por año
- Usualmente por pérdida de peso
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
- Puede estimarse por medición de la reducción de
sección transversal (espesor)
Predicción / Medición de la degradación (localizada).
-Por picaduras
- Por hendiduras
- Corrosión filiforme
Elementos de apoyo para desarrollar la medición.
1. Distribución estadística de localización
2. Distribución estadística de profundidades
Medición: Picaduras profundas y estrechas
Velocidad de penetración rápida
Rodeadas por regiones no corroídas
La distribución es estadística
Técnicas de medición:
1. Técnicas de microscopia
2. Medidor calibrado (profilómetrico)
3. Preparación metalográfica en sección transversal
Ejemplos de diferentes tipos de corrosión.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Fig. 7. Degradación de inconel en salmuera
Fig. 8. Degradación en ducto enterrado
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Fig. 9. Corrosión en acero inoxidable
Fig. 10. Vista de sección transversal de una picadura
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Fig. 11. Corrosión en una línea de aire
Fig. 12. Corrosión por cloruros en acero inoxidable debida a contaminación del fundente de soldadura
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Velocidad de Propagación de Picaduras.
∙ La velocidad generalmente decrecen con el tiempo
- Decrece al iniciarse nuevas picaduras
- Decrece si la picadura se cubre con productos
de corrosión
Puede incrementarse con el tiempo si el medio dentro de la picadura se vuelve
agresivo.
Etapas de la corrosión.
1. Iniciación
2. Propagación
3. Terminación
4. Reiniciación
Métodos de control de la corrosión
1. Selección de materiales
2. Modificación del medio ambiente
3. Aplicación de recubrimientos
4. Uso de técnicas electroquímicas
5. Diseño
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
TEMA II. Fundamentos y factores de la degradación de los materiales (por Fatiga,
Cavitación, Erosión, Fluencia, Fragilización, Desgaste, Tensiones residuales).
OBJETIVO.- El alumno diferenciará los distintos fenómenos de degradación a los que
están sometidos los materiales usados en equipos e instalaciones, para diagnosticar las
posibles fallas de los mismos, mediante la comprensión de los factores que la agudizan.
RESULTADOS DE APRENDIZAJE.- El alumno elaborará un mapa conceptual donde
estén definidos los distintos fenómenos de degradación a los que están sometidos los
materiales.
SABER.- Explicar los tipos de degradación por Fatiga, Cavitación, Erosión,
Fluencia, Fragilización, Desgaste, Tensiones residuales, en los materiales
utilizados en equipos e instalaciones y los factores que la agudizan.
Saber hacer.- Diferenciar y diagnosticar los tipos de degradación que sufren los
materiales (fatiga, corrosión, cavitación, erosión, desgaste y tensiones residuales)
que sufren los materiales y los factores que los provocan y aceleran
Tipos de degradación mecánica (Fatiga, Cavitación, Erosión, Fluencia,
Fragilización, Desgaste, Tensiones residuales).
Se presenta en condiciones de un medio ambiente específico y de esfuerzos de tensión,
compreción, torque, etc. Y se observa con la aparición de grietas en diversa direcciones
perpendiculares al esfuerzo, pueden presentarse en una sola grieta, o varias.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Fig. 13. Corrosión por esfuerzos en acero inoxidable
Factores que provocan el agrietamiento
Esfuerzos de tensión
Aplicados
Residuales
Composición de la aleación u estructura
Medio ambiente
Temperatutra
Agrietamientos
Corrosión asistida por esfuerzo
Agietamiento inducido por eszuerzo
Fragilización por metal liquido
Corrosión-fatiga
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Fig.16. Sección intergranular de una superficie
Fig. 17. Falla ocasionada por degradación en tornillo de bronce
Corrosión por fatiga.
Este tipo de corrosión se da por la acción combinada de esfuerzos cíclicos y un
ambiente corrosivo. El esfuerzo aplicado debe ser parcialmente de tensión, todos
los metales son afectados por la fatiga.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Fig. 18. Ejemplo de corrosión por fatiga
Fig 19. Corrosión por fatiga
Para evitar la corrosión se tiene que reducir el nivel de esfuerzos (residuales y
aplicados), además de evitar sitios de atrape de electrolitos y de tener cuidado en
la compatibilidad de materiales.
Para evitar la corrosión por medio ambiente se recomienda: usar materiales mas
resistentes, identificar compuestos críticos, los materiales de menor resistencias
mecánicas tienen algunas veces mejor comportamiento, eliminar agentes
oxidantes, evitar contactos con medios acuosos, uno de los métodos para evitar la
corrosión aplicando técnicas electroquímicas es la protección catódica (el único
inconveniente es la de inducir fragilización por hidrogeno), protección anódica,
dependiendo del tipo de aplicación puede ser benéfica o perjudicial.
Se aplican recubrimientos de capa o totales, recubrimientos inhibidores y
metálicos.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
La corrosión por cavitación se presenta por daño mecánico por colapso de
burbujas en un líquido impactando una superficie, existe remoción de capas de
óxido protector ocasionando un daño mecánico directo al metal base.
Fig. 20. Fases de desgaste por cavitación
Fig. 21. Erosión por cavitación
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
II. CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES
TEMA 1. Ensayos mecánicos estáticos: dureza, tensión, compresión.
OBJETIVO. - El alumno caracterizará los materiales usados en equipo e instalaciones,
para conocer sus propiedades, mediante los distintas pruebas de tensión, compresión y
dureza.
RESULTADOS DE APRENDIZAJE: El alumno ejecutará y elaborará reporte de los
siguientes ensayos: Dureza, Tensión, Compresión.
SABER.- Explicar la finalidad, los tipos y las características de los ensayos destructivos.
SABER HACER.- Experimentar y realizar ensayos destructivos de: Dureza, Tensión,
Compresión.
ESTUDIO DE MATERIALES.
Los diferentes tipos de materiales y conceptos actuales de ciencia de los
materiales, fiabilidad y vida en servicio, comportamiento mecánico y el significado
de las cargas y desplazamientos, tensión, deformaciones y otras propiedades.
La vinculación entre la estructura y el comportamiento mecánico y los mecanismos
de rotura, así como el significado de los ensayos en los materiales.
La selección de los materiales se hace en función de las exigencias que se
planteen para un determinado uso; materiales muy aptos para una aplicación
pueden ser completamente inútiles para otra. Por tanto, antes de seleccionar un
material es preciso plantear qué se espera de él en su utilización. Para ello es
importante conocer su utilización y determinar qué propiedades se requieren para
que el material presente una respuesta adecuada.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Dependiendo del tipo de aplicación, presentarán más importancia unas
propiedades que otras, y entre las propiedades a considerar figuran las
mecánicas, químicas, térmicas, eléctricas y ópticas.
Entre las propiedades mecánicas hay algunas cuya característica es de
importancia fundamental, mientras que otras responden a acciones
(comportamiento frente a acciones) muy específicas que aparecen en casos muy
concretos. En cualquier caso es necesario poseer un método por el cual podamos
presumir en avance qué materiales podrían servir para el uso que estamos
buscando y cuáles no.
Para determinar las propiedades de los diferentes materiales se aplican diferentes ensayos
normalizados (ensayos destructivos, ensayos no destructivos).
Ensayos destructivos.
1. Estáticos
2. Dinámicos
ENSAYOS ESTÁTICOS
En primer lugar se debe destacar que un ensayo estático es aquel en el cual la
fuerza que actúa sobre la pieza en estudio es constante, de esta forma podemos
citar como ejemplos los ensayos de dureza, tracción, fluencia, torsión, compresión,
flexión y pandeo. A continuación se detallará el mecanismo de todos y cada uno
de ellos por separado.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
ENSAYOS DE COMPRESIÓN
Los ensayos de compresión-deformación se realizan si las fuerzas que operan en
servicio son de este tipo. Un ensayo de compresión se realiza de forma similar a
un ensayo de tracción, es decir, se deforma una probeta con una carga de
compresión que aumenta gradualmente y que es aplicada uniaxialmente a lo largo
del eje de la probeta. Generalmente la sección de la probeta es circular, pero
también se utilizan probetas de sección rectangular. Al aplicar la fuerza
compresiva a la probeta, esta se contraerá a lo largo de la dirección de la fuerza.
El esfuerzo de compresión se calculará mediante la siguiente fórmula:
Siendo σ la tensión nominal cuyas unidades son libras fuerza por pulgada
cuadrada (lbf / pulg2) o bien megapascales (MPa = 106 N /m2), P la carga
instantánea aplicada perpendicularmente a la sección de la probeta , en unidades
de newtons (N) o libras fuerza (lbf), y A es el área de la sección original antes de
aplicar la carga (m2 o pulg2).
La deformación nominal se define como:
ε = (li – lo) / lo = Δl / lo
ε es la deformación nominal que no posee unidades, aunque a veces se expresa
como porcentaje, esto es, el valor de la deformación multiplicado por 100, lo es la
longitud antes de aplicar la carga, y li es la longitud instantánea. Algunas veces
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
la cantidad li – lo se indica simplemente mediante Δl, y es el alargamiento
producido por deformación o cambio en longitud en un instante determinado, con
respecto a la longitud inicial.
Como lo es mayor que li las deformaciones de compresión serán necesariamente
negativas. En la mayoría de los materiales utilizados en aplicaciones estructurales,
se obtiene muy poca información adicional a partir del ensayo de compresión, por
eso se suele usar más frecuentemente el ensayo de tracción. Los ensayos de
compresión se utilizan cuando se desea conocer el comportamiento del material
bajo deformaciones permanentes grandes (o sea plásticas), tal como ocurren en
los procesos de conformación, o bien cuando el material tiene un comportamiento
frágil a tracción.
Las siguientes ilustraciones esquemáticasmuestran cómo una carga de
compresión produce una contracción y una deformación lineal negativa.
=
Fig.1. Compresión
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
ENSAYOS DE TENSIÓN
El ensayo de tensión mide la resistencia de un material a la aplicación gradual de
una fuerza tensora. Un dispositivo de prueba se muestra en la figura 2.Una
probeta típica tiene un ESPESOR de 0.505 plg y una longitud de calibración de 2
plg. La probeta se fija en la máquina de ensayo de materiales y se aplica una
fuerza F, llamada carga. Un extensómetro se usa para medir el alargamiento de la
probeta entre las marcas de calibración cuando se aplica la fuerza. Los resultados
de un ensayo de tensión se suelen mostrar relacionando carga contra longitud.
Al presentar los resultados de esta forma, se describe solamente el
comportamiento de un material que tiene UN ESPESOR particular.
Fig. 2. Equipo para pruebas de tensión
Los resultados podrán aplicarse a todos los tamaños y formas de probeta para un
material dado si se transforma la fuerza a esfuerzo, y la distancia entre las marcas
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
de calibración a deformación. El esfuerzo y la deformación de uso en ingeniería se
definen mediante las siguientes ecuaciones:
Donde Ao es el área original de la sección transversal de la muestra antes de
iniciar la prueba, lo es la distancia original entre las marcas de calibración y l es la
distancia entre las marcas después de aplicar la fuerza F. Para representar los
datos de un ensayo de tensión se utiliza normalmente el siguiente procedimiento.
Las probetas para ensayos de tensión se fabrican en una variedad de formas. La
sección transversal de la probeta puede ser redonda, cuadrada o rectangular.
Para la mayoría de los casos, en metales, se utiliza comúnmente una probeta de
sección redonda. Para láminas y placas usualmente se emplea una probeta
plana.
Fig. 3. Probeta
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Fig. 4 Probeta normalizada
Cuando en este cálculo se emplea el área inicial de la probeta, el esfuerzo
resultante se denomina esfuerzo nominal (esfuerzo convencional o esfuerzo de
ingeniería). Se puede calcular un valor más exacto del esfuerzo axial, conocido
como esfuerzo real.
Fig. 5. Desarrollo de prueba en maquina de ensayo
Resultados obtenidos en el diagrama esfuerzo-deformación
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Fig 6. Diagrama esfuerzo-deformación
Fig.7. Resultados obtenidos de probeta.
Al incrementar la carga más allá del límite de proporcionalidad, la deformación
empieza a aumentar más rápidamente para cada incremento en esfuerzo. La
curva de esfuerzo deformación asume luego una pendiente cada vez más
pequeña, hasta que el punto B de la curva se vuelve horizontal. A partir de este
punto se presenta un alargamiento considerable, con un incremento prácticamente
inapreciable en la fuerza de tensión (desde B hasta C en el diagrama). Este
fenómeno se conoce como cedencia o fluencia del material, y el esfuerzo en el
punto B se denomina esfuerzo de cedencia o punto de cedencia (o bien, esfuerzo
de fluencia o punto de fluencia). En la región de B hasta C, el material se vuelve
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
perfectamente plástico, lo que significa que puede deformarse sin un incremento
en la carga aplicada.
Después de sufrir las grandes deformaciones que se presentan durante la fluencia
en la región BC el material empieza a mostrar un endurecimiento por deformación.
Durante este proceso, el material sufre cambios en sus estructuras cristalina y
atómica, lo que origina un incremento en la resistencia del material a futuras
deformaciones. Por tanto, un alargamiento adicional requiere de un incremento en
la carga de tensión, y el diagrama esfuerzo-deformación toma una pendiente
positiva desde C hasta D. Finalmente la carga alcanza su valor máximo y el
esfuerzo correspondiente (en el punto D) se denomina esfuerzo último. De hecho,
el alargamiento posterior de la barra se acompaña de una reducción en la carga y
finalmente se presenta la fractura en un punto E, tal como se indica en el
diagrama.
Se presenta una contracción lateral de la muestra cuando se alarga, lo que origina
una reducción en el área de la sección transversal. La reducción en el área es
muy pequeña como para tener un efecto apreciable en el valor de los esfuerzos
calculados antes del punto C, pero más allá de este punto la reducción comienza
a modificar el perfil del diagrama. Desde luego, el esfuerzo real es mayor que el
esfuerzo nominal debido a que se calcula con un área menor.
En la cercanía del esfuerzo último, la disminución del área se aprecia claramente y
ocurre un estrechamiento pronunciado de la barra, conocido como estricción. Si
para el cálculo del esfuerzo se emplea el área de la sección transversal en la parte
estrecha del cuello ocasionado por la estricción, la curva real esfuerzo-
deformación seguirá la línea punteada CE’. La carga total que puede resistir la
probeta se ve efectivamente disminuida después de que se alcanza el esfuerzo
último (curva DE), pero esta disminución se debe al decremento en área de la
probeta y no a una pérdida de la resistencia misma del material. En realidad, el
material soporta un aumento de esfuerzo hasta el punto de falla (punto E’).
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Sin embargo, con fines prácticos la curva esfuerzo-deformación convencional
OABCDE, basada en el área transversal original de la muestra y que, por lo tanto,
se calcula fácilmente, suministra información satisfactoria para emplearla en el
diseño. La ductilidad de un material a tensión puede caracterizarse por su
alargamiento total y por la disminución de área en la sección transversal donde
ocurre la fractura.
Fig. 8. Fractura de probeta
La elongación porcentual se define como sigue:
ElongaciónL L
L
f o
o
( )100
donde Lo es la longitud calibrada original y Lf es la distancia entre las marcas de
calibración al ocurrir la fractura.
La reducción porcentual de área mide el valor de la estricción que se presenta y se
define como sigue:
RA A
AA
o f
o
( )100
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Donde Ao es el área original de la sección transversal y Af es el área final en la
sección de la fractura.
Los materiales que fallan en tensión a valores relativamente bajos de deformación
unitaria se clasifican como materiales frágiles.
En este ensayo las propiedades usualmente determinadas son: La resistencia a la
cedencia (punto de cedencia), la resistencia a la tensión, la ductilidad (El
alargamiento y la reducción de área), el módulo de elasticidad y el tipo de fractura.
ENSAYO DE DUREZA
Este ensayo físico mide la resistencia a la penetración sobre la superficie de un
material efectuado por un objeto duro. Interesa entre otros fines para determinar
las propiedades de los aceros y los tratamientos, composiciones o tipos de aceros
más adecuados para un fin determinado. Nos permite establecer las causas de
fracaso puestos en servicios y determinar si el material ha de ser reemplazado por
otro.
La primera clasificación de los materiales que se hizo en función de la dureza fue
la escala de dureza mineralógica o resistencia que oponen los cuerpos a ser
rayados y el primer aparato que se utilizó para ensayar la dureza de los cuerpos
fue el esclerómetro de Martens. El procedimiento más simple y más extendido
para apreciar la dureza de los metales fue el ensayo de la lima, comparando el
esfuerzo necesario para el rayado o la profundidad de la huella se pueden
clasificar con cierta aproximación la dureza de distintos materiales.
Existen muchos métodos con mayor presición para medir la dureza de los
materiales, entre ellos, los más comunes son los de Brinell, Rockwell, Vickers y
Shore.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
ENSAYO BRINELL
En 1900, el profesor J.A.Brinell propuso su método para determinar la dureza de
los metales, éste consiste en aplicar y comprimir progresivamente sobre una
superficie plana y lisa del material a ensayar una bola de acero muy duro,
manteniendo la presión sobre un cierto tiempo, para que se produzca una
impresión o huella.
El número Brinell indica la presión en kg/mm2 que ha actuado sobre el material,
igualmente un ensayo Brinell está íntimamente relacionado con el de rotura por
tracción de un material, con bastante aproximación puede considerarse como
dureza Brinell de un acero al valor que se obtiene multiplicando por tres su
resistencia a la tracción expresada también en kg/mm2.
Hay que tener en cuenta una serie de precauciones antes de hacer el ensayo:
1. La superficie a ensayar ha de ser plana y perpendicular al eje de aplicación de
la carga y ha de estar limpia de óxidos, cascarillas y grasas.
2. El espesor del material ha de ser mayor del doble del diámetro de la huella.
3. El material ha de ser homogéneo.
4. Ha de cumplirse la relación: D/4 < d < D/2
5. Las cargas han de ser proporcionales a los cuadrados de los diámetros de las
bolas (D), y de la misma forma serán proporcionales a los cuadrados de los
diámetros de las huellas (d).
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
De acuerdo con este criterio, para que los ensayos sean comparables, debe
realizarse el ensayo empleando para cada uno de los distintos materiales una
determinada constante de ensayo Q, que es igual al cociente entre la carga de
ensayo y el diámetro de la bola al cuadrado.
La dureza Brinell ( HB ) se calcula según la expresión:
ENSAYO ROCKWELL
En 1924 la máquina Rockwell completó las medidas del procedimiento de Brinell.
Se basa en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados por un
cuerpo más duro. Se diferencia del ensayo Brinell en que éste determina la dureza
en función de la superficie de la huella y en el Rockwell, se determina en función
de la profundidad de penetración. En este ensayo actúan dos cargas distintas,
primero se aplica una carga pequeña y luego actúa otra mayor. Las cifras de
dureza Rockwell son función de la diferencia entre la penetración conseguida
cuando actúa la carga pequeña y la profundidad de la huella permanente que
hicieron las dos cargas cuando actuaron a la vez.
En el año 1932, apareció otro tipo de máquina llamada Rockwell superficial,
estudiada especialmente para el ensayo de piezas sumamente delgadas.
El medidor de dureza y su funcionamiento se indican a continuación:
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Fig. 9. Medidor de dureza
Se coloca la pieza y se gira el tornillo hasta que la pieza llegue a tocar el diamante
o la bola, en el momento en que la pieza se apriete contra el diamante, comienza
a ejercer una cierta presión sobre la pieza, debido a un muelle que lleva la
máquina en su interior. Se gira la esfera del micrómetro hasta que el cero de la
esfera coincida con la aguja y se deja en libertad la carga grande, en este
momento se mueve la aguja del micrómetro y la bola o diamante penetra en el
material.
ENSAYO VICKERS
Ideado por el inglés Vickers. Su fundamento es parecido al de Brinell, se basa en
la resistencia que oponen los cuerpos a ser penetrados y se halla la dureza
dividiendo la carga por la superficie de la huella. Se diferencia de aquél por
emplear como cuerpo penetrador un diamante tallado en forma de pirámide
rectangular. Es el procedimiento que se emplea en todos estudios e
investigaciones científicas.
En este ensayo, la carga es aplicada por un juego de palancas que mueven una
leva. Después de haber mantenido la carga durante un cierto tiempo, se coloca un
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
microscopio sobre la huella cuyos bordes forman en la superficie ensayada un
cuadrado cuyas diagonales se miden en una retícula graduada.
La dureza Vickers se calcula según la expresión:
TEMA 2. Ensayos mecánicos dinámicos: Cizallamiento, pandeo, flexión, torsión, fatiga.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
OBJETIVO. El alumno caracterizará los materiales usados en equipo e instalaciones, para
conocer sus propiedades, mediante los distintos ensayos destructivos.
RESULTADOS DE APRENDIZAJE: El alumno reportará la secuencia de realización de los
siguientes ensayos, en caso de no contar con equipamiento:
Cizallamiento, Pandeo, Torsión, Flexión, Impacto, Fatiga.
SABER.- Explicar la finalidad, los tipos y las características de los ensayos destructivos.
SABER HACER.- Identificar los diferentes tipos de ensayos: Cizallamiento, Pandeo,
Torsión, Flexión, Impacto, Fatiga.
Los ensayos mecánicos dinámicos se dividen:
Resistencia al choque
Desgaste
Fatiga
ENSAYO DE TORSIÓN
Torsión se puede definir como 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.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
La torsión es una variación de la cizalladura pura, mediante la cuál un miembro
estructural es deformado, las fuerzas de torsión producen un movimiento
rotacional alrededor del eje longitudinal de un extremo del miembro respecto al
otro extremo. Ejemplos de torsión se encuentra en el caso de ejes de máquinas y
ejes impulsores, y también en brocas. Los ensayos de torsión generalmente se
realizan sobre cilindros sólidos, o bien sobre tubos. La torsión de cizalladura τ es
una función del par aplicado T, mientras que la deformación de cizalladura γ, está
relacionada con el ángulo de giro, υ.
En la figura 10 se muestra una representación esquemática de una deformación
torsional (o sea, ángulo de giro υ) producido por un par aplicado T.
Fig. 10 Deformación torsional
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
ENSAYO DE FLEXIÓN
La flexión nos sirve para comprobar las deformaciones de los materiales en
deformación simple. La condición es que el material no sobrepase nunca sus
tensiones máximas de flexión.
Es un ensayo complementario del de tracción para algunos materiales, ya que
sólo se realiza en piezas que van a ser sometidas a esfuerzos de flexión. Las
probetas son cilíndricas y rectangulares normalmente, aunque también puede
realizarse sobre probetas cuadradas.
FIG. 11 Cargas en viga
Los miembros que soportan cargas perpendiculares a sus ejes longitudinales se
llaman vigas. Debido a las cargas aplicadas, las vigas desarrollan un momento
flexionante que varia punto a punto a lo largo del eje de la viga. El ensayo consiste
en someter las probetas apoyadas libremente por los extremos a un esfuerzo
aplicado en el centro o dos iguales aplicados a la misma distancia de los apoyos.
Normalmente el ensayo se realiza colocando dos rodillos con la separación L=20d,
siendo d el diámetro de la probeta. En la figura 12 se reproduce un pequeño
esquema de este ensayo.
Fig. 12. Ensayo de flexión
Como convenio tomamos el signo del momento flexionante positivo si este genera
compresión en las fibras superiores de la viga. La formula de la flexión que sirve
para calcular el esfuerzo normal es la siguiente:
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Donde σ es el esfuerzo normal, M es el momento interno resultante, I es el
momento de inercia y c distancia perpendicular desde el eje neutro (es el eje de la
barra que no experimenta un cambio de longitud) al punto donde estamos
calculando el esfuerzo.
Para el ensayo de flexión sometemos una barra a presión sin que falle por pandeo
o por corte antes de llegar a su máxima resistencia por flexión, para que esto
suceda la viga bajo ensayo no debe ser demasiado corta con respecto al peralte ni
tampoco demasiado largo.
ENSAYO DE PANDEO
En las piezas en las que la dimension longitudinal es mucho mayor que el
diámetro ocurre que sometidas a esfuerzos de compresión en la dirección del eje
no se rompen por aplastamiento, si no que se doblan lateralmente y se rompen
con cargas muy inferiores a las que les correspondería por su sección y
resistencia a la compresión.
Los miembros de gran longitud, como las columnas, están sometidas a fuerzas de
compresión axial, debido a esto sufren una deflexión lateral denominada pandeo.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
En las figuras se muestran algunos elementos sometidos a este tipo de fuerzas:
FIG. 13. Pandeo en columnas
En un modelo ideal de columna el pandeo no existiría, sin embargo en la realidad
hay algunas causas que determinan el pandeo como son irregularidades en la
forma, en la estructura, excentricidad de la carga respecto al centro geométrico y
pequeña flexión del eje.
La carga axial que da inicio a la inestabilidad por pandeo se conoce como carga
crítica de pandeo. Para el análisis de la carga crítica se considera que la barra
está articulada en ambos extremos. Se toma como referencia un elemento
estructural con una longitud L, de sección constante A e inercia I, constituido por
un material cuyo módulo de elasticidad es E, al elemento mencionado se lo
somete a una carga axial de compresión. Con estos parámetros obtenemos una
formula para calcular la carga crítica:
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Debemos definir también el plano crítico de pandeo; que es el plano en el cual
es más probable que se produzca el pandeo.
El ensayo de pandeo consiste en someter un material a una fuerza de compresión,
a diferencia del ensayo de flexión el material en estudio debe ser una placa muy
fina par que no intervenga otro tipo de resistencia al material, como la propia
flexión o fuerzas de corte. Este tipo de ensayo no tiene una utilidad imprescindible
en la construcción de máquinas, no obstante puede resultar determinante para
otras piezas. Los ensayos se realizan en la máquina universal AMSLER.
Fig. 14. Prueba de pandeo
ENSAYO DE FATIGA
Si sometemos un material a una aplicación repetida de un esfuerzo, siendo este
menor que el de punto de fluencia, puede originar que después de numerosas
aplicaciones el metal se fracture. Esto es conocido como fatiga y ocurre como
resultado de carga de rotación, flexión o vibración. Permite entender como se
comporta un material cuando se aplica un esfuerzo repetido cíclico.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Fig. 15 elemento sometido a fatiga
¿Cómo medir la resistencia a la fatiga? El método más común es el ensayo de la
viga en voladizo rotatoria.
El extremo de la probeta maquinada cilíndrica se monta en un dispositivo acoplado
a un motor y en el otro extremo se suspende un peso, inicialmente la muestra
soporta una fuerza de tensión que actúa en la superficie superior mientras que la
superficie inferior se comprime. Cuando la muestra gira 90º los sitios que estaban
en tensión y en compresión no reciben esfuerzo alguno, mientras que si gira 120º,
el material que originalmente estaba en tensión está ahora en compresión y
viceversa. Se realiza un ciclo completo que va de cero a máxima tensión y de cero
a máxima compresión. Después de numerosos ciclos el material puede fallar.
Generalmente se ensayan varias muestras con distintos esfuerzos y se representa
en función del número de ciclos que llevan a la ruptura.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Fig. 16 Duración y resistencia a la fatiga
Las propiedades mecánicas del material muestra que podemos obtener a partir de
este ensayo son dos:
1. Duración a la fatiga; nos indica cuanto dura un componente cuando un
esfuerzo se aplica repetidamente al material. Según el gráfico siguiente
observamos que para diseñar una herramienta que pueda soportar 100000 ciclos,
el esfuerzo aplicado ha de ser menor que 90 Ksi.
2. Límite de resistencia a la fatiga; esfuerzo por debajo del cual la falla por fatiga
nunca ocurre. Según el gráfico para evitar que una herramienta de acero se
rompa, el esfuerzo aplicado nunca puede ser mayor de 60 Ksi. Algunos materiales
no tienen límite de resistencia real, para ellos, el esfuerzo aplicado ha de ser lo
suficientemente bajo. Generalmente se mide la resistencia a la fatiga con el
esfuerzo necesario para provocar la ruptura en 500 millones de ciclos.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
El esfuerzo se aplica en la superficie del material, por lo tanto es en donde se
inician las fisuras o grietas de fatiga, según esto, podemos relacionar la resistencia
a la fatiga con la resistencia del material en la superficie:
Si la resistencia a la tensión aumenta, aumenta también la resistencia a la fatiga.
Se ha comprobado experimentalmente que la temperatura también influye en la
resistencia a la fatiga, si ésta aumenta, disminuye la resistencia a la tensión, el
límite de resistencia y también es menor la duración a la fatiga.
ENSAYO DE IMPACTO
Para poder seleccionar un material que resista un choque o golpe intenso y
repentino, debe medirse su resistencia a la ruptura mediante una prueba de
impacto. Se han diseñado muchos procedimientos de ensayo, incluyendo el
ensayo Charpy. La probeta puede tener muescas o no; las
probetas con muesca en V miden de mejor manera la resistencia del material a la
propagación de la fractura.
En el ensayo, un péndulo pesado que parte de una altura h0, gira describiendo un
arco, golpea y rompe la probeta, alcanzando una elevación menor al final, hf
Conociendo las elevaciones inicial y final del péndulo, se puede calcular la
diferencia de energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto absorbida
por la probeta durante la ruptura. La energía se expresa generalmente en pielibras
(pie-lbf ), o joules (J), donde 1 pie-lbf= 1.356 J. La capacidad de un material para
resistir el impacto se denomina tenacidad del material.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Fig. 17 Método Charpy y probetas
Un ejemplo de los resultados de una serie de pruebas de choque realizadas a
diversas temperaturas se muestra en la siguiente figura.
Fig. 18. Grafica temperatura-impacto
A temperaturas altas, se requiere una gran absorción de energía para que se
rompa la probeta, y se fractura con poca energía absorbida, a temperaturas bajas.
A temperaturas elevadas el material se comporta de manera dúctil, con gran
deformación y estiramiento de la probeta antes de fracturarse. A temperaturas
reducidas, el material es frágil y se observa poca deformación en el punto de
fractura. La temperatura de transición es aquella a la cual el material cambia de
presentar una fractura dúctil a una frágil.
Un material que vaya a estar sometido a impacto durante su funcionamiento debe
tener una temperatura de transición inferior a la temperatura circundante. Por
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
ejemplo, la temperatura de transición del acero utilizado para un martillo de
carpintero debe ser menor que la temperatura ambiente par a evitar el
desportillamiento de la herramienta.
Fig. 19. Propiedades de dos aceros de bajo carbono
No todos los materiales presentan una temperatura de transición, tal como se
observa en la figura adyacente.
Los metales CC tienen temperatura de transición, pero la mayoría de los metales
CCC no la tienen. Los metales CCC pueden absorber altas energías, y éstas
decrecen gradual y lentamente conforme disminuye la temperatura.
Fig. 20. Grafica esfuerzo-deformación
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
La energía de impacto corresponde al área delimitada por la curva esfuerzo real-
deformación real. Los materiales que presentan alta resistencia y alta ductilidad,
tienen una tenacidad adecuada. Los cerámicos tienen escasa tenacidad debido a
que son quebradizos y virtualmente no presentan ductilidad.
La energía absorbida y la temperatura de transición son muy sensibles a las
condiciones de carga. Por ejemplo, una mayor rapidez de aplicación de la energía
de impacto a la muestra reducirá la energía absorbida e incrementará la
temperatura de transición. El tamaño de las probetas también afecta a los
resultados; pueden requerirse energías de impacto menores para romper
materiales de mayor espesor. Finalmente, la configuración de la muesca puede
afectar el comportamiento; una grieta superficial permite absorber menores
energías que una muesca en V. Debido a que frecuentemente no es posible
predecir o controlar todas estas condiciones, el ensayo de impacto se utiliza mejor
para la comparación y selección de los materiales, que para obtener criterios de
diseño.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
III. DEFORMACIÓN CRISTALINA Y ESTRUCTURAL DEL MATERIAL.
OBJETIVO: El alumno será capaz de realizar análisis de deformación cristalina
para identificar posibles causas de fallas de los materiales, fundamentado en
técnicas metalográficas.
RESULTADOS DE APRENDIZAJE: El alumno desarrollará un análisis del
proceso de deformación de un elemento de máquina o material sometido a
trabajo, fundamentado en técnicas metalográficas.
TEMA I.- Análisis metalográfico.
SABER: Explicar los fundamentos del análisis metalográfico.
SABER HACER: Determinar las fases que constituyen un análisis metalográfico.
ANÁLISIS METALOGRÁFICO.
El análisis metalográfico es un método que permite conocer la características
microestructurales de un material. Al efectuar una investigación sobre una muestra
representativa de un material, un modo altamente efectivo para conocer las
características intrínsecas del mismo, es mediante la interpretación de la
información que revela un análisis metalográfico. La microestructura revela las
propiedades con las que la pieza bajo estudio cuenta en determinada condición y
por tanto, el desempeño funcional esperado.
En la industria, el desempeño de un componente depende, no únicamente del
material del que está fabricado, sino también de los procesos a los que es
sometido desde su estado inicial hasta la obtención de la pieza final. La industria
automotriz se caracteriza por emplear una alta gama de materiales y procesos en
sus componentes. En la fabricación de tubos de escape, debido a la complejidad
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
en la forma y la funcionalidad del sistema, es requerida una combinación
adecuada de materiales y procesos. En este caso, se aborda la fabricación de
tubos de escape utilizando acero inoxidable AISI 409 como materia prima.
Debido a la geometría buscada para componentes, es necesario que el material
sea sometido a procesos críticos de deformación que tienen un fuerte impacto
sobre la microestructura del material. La técnica para analizar las características
de los componentes bajo este estudio, consistió en efectuar un análisis
metalográfico al material después de cada una de las etapas de fabricación. El
objetivo consiste en analizar los cambios microestructurales que se presentan en
el material y definir la evolución en las características y, por tanto, en las
propiedades de cada componente.
Clasificación de los aceros, según el contenido de carbono.
Bajo carbono (hasta 0.25%)
Medio contenido de carbono (0.25 – 0.55%)
Alto carbono (más de 0.55%)
Las propiedades de los materiales depende en gran medida de su estructura. En
está hay que considerar dos aspectos diferentes.
1. La orientación de los átomos, iones o moléculas en el espacio considerando
las posiciones relativas entre ellas (estructura cristalina). Si embargo hay
sólidos que no presentan ordenación (átomos, iones o móleculas) y por
consiguiente no presentan estructura cristalina (estructura amorfa o vítrea).
2. La Microestructura son los granos, una estructura cristalina esta constituida
por granos, como se observa en la fig. difieren unos de otrosen la
ordenación de los átomoso bien en la orientación que presenta el cristal.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
FORMA DE GRANO Y FASES
Los granos pueden tener todas las formas y tamaños, un ejemplo es el acero
dulce, cuya resistencia puede duplicarse disminuyendo el tamaño de grano diez
veces.
La laminación y la forja pueden dar lugar a granos alargados y en el moldeo los
granos solidificados están a menudo alargados en la dirección de la extracción del
calor. Pero si hay efectos externos como estos, entonces la energía de los bordes
de grano es lo más importante. Esto puede ilustrarse en las siguientes figuras.
Fig 2. Estructuras cristalinas
CONSTITUCIÓN Y ESTRUCTURA.
La estructura de un metal se define teniendo en cuenta dos aspectos. El primero
es la constitución:
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
La composición total, es decir, los elementos (componentes) que el metal
contiene y el peso relativo de cada uno de ellos.
El número de fase y su peso relativo.
La composición de cada fase.
El segundo es la información geométrica acerca de la forma y tamaño:
La forma de cada fase.
El tamaño y el espacio de las fases.
ENLACES METÁLICOS.
Los metales y aleaciones presentan enlaces metálicos. Se ha propuesto un
modelo muy sencillo que se aproxima bastante al esquema de este enlace. Los
materiales metálicos tienen uno o dos, a lo sumo, tres electrones de valencia. En
este modelo, los electrones de valencia del sólido no pertenecen a ningún átomo
en particular y son más o menos libres de circular a través de todo el metal.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Fig. 3 Enlace metálico
FASES DE LA APLICACIÓN METALOGRÁFICA.
A examinar los elementos estructurales y defectos que modifican las propiedades
de los materiales. La importancia radica en asegurar la idoneidad compresión de
la asociación entre propiedades de los materiales una vez establecida estas
relaciones. Algunos elementos estructurales son de dimensiones macroscópicas y
se observan a simple vista. Por ejemplo, la forma y el tamaño o radio medio de los
granos de una muestra policristalina son importantes elementos estructurales. En
la mayoría de los metales, los granos constituyentes son de dimensiones
microscópicas, con diámetros del orden de micrómetros y sus detalles se deben
investigar mediante algún tipo de microscopio. Tamaño y forma de los granos sólo
son dos características de la microestructura.
En microscopia normalmente se utilizan el microcopio óptico y el electrónico. Estos
instrumentos contribuyen a la investigación de las características
microestructurales de todo tipo de materiales. La mayoría de estas técnicas llevan
acoplado un equipo fotográfico; la fotografía que recoge la imagen microscópica
se denomina fotomicrografía.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
TEMA II.- Análisis de ensayos destructivos. Metalografía [Microscopía Óptica
(MO), Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), Microscopía Electrónica de
Transmisión (MET)].
SABER: Explicar los tipos de análisis metalográficos aplicables a las pruebas
destructivas y no destructivas.
SABER HACER: Determinar las deformaciones granulares resultantes de un
proceso de deformación elastoplástico de un elemento de máquina o material
sometido a trabajo, por medio de técnicas metalográficas (microscopía óptica
MICROSCOPIA ÓPTICA.
Con el microscopio se utiliza la luz para estudiar la microestructura; sistemas
ópticos y de iluminación son los principales elementos. En aquellos materiales que
son opacos a la luz visible (todos los metales y muchos cerámicos y polimeros)
sólo la superficie es susceptible de ser observada, y la luz del microscopio se debe
usar en reflexión y estas producen contrastes en la imagen. Esta investigación se
suele denominar metalografía, ya que los metales fueron los primeros en ser
examinados con esta técnica.
Para revelar los detalles importantes de la microestructura es necesario,
generalmente, preparar cuidadosamente las superficies. La superficie debe
desbastarse y pulirse hasta que quede como un espejo. Esta condición se
consigue utilizando papeles abrasivos y polvos cada vez más finos. Se revela la
microestructura tratando la superficie con un reactivo químico apropiado en un
procedimiento denominado ataque. La reactividad química de los granos de un
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
material monofásico depende de la orientación cristalográfica. Por consiguiente, e
una probeta policristalina, las características de ataque varian de un grano a otro.
Las fig.3 muestra cómo se refleja la luz que incide perpendicularmente sobre tres
superficies de granos atacados y con diferente orientación cristalográfica.
Fig 4 Estructura cristalográfica atacada
La estructura superficial al ser observada con el microscopio; el brillo de cada
grano depende de sus propiedades de reflexión.
Fig. 5 brillo del grano
La sig, figura muestra una fotomicrografía de una probeta policristalina.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Fig. 6 Fotomicrografía de una probeta de aluminio
MICROSCOPIA ELECTRÓNICA.
El límite de aumentos del microscopio óptico es de aproximadamente 2000
diámetros. Algunos elementos estructurales son demasiado finos o pequeños para
su observación mediante microscopia óptica. En estas circunstancias se utiliza el
microscopio electrónico, capaz de conseguir muchos más aumentos.
La imagen de la estructura investigada se genera utilizando haces de electrones
en lugar de radiación lumínica. De acuerdo con la mecánica cuántica, un electrón
de elevada velocidad actúa como una onda, con una longitud de onda del orden
de 0,003 nm (3 pm). Estos microscopios tienen grandes aumentos y elevado
poder resolutivo como consecuencia de la corta longitud de onda del haz de
electrones y forman una imagen. La geometría de los componentes del
microscopio es esencialmente, igual que la del óptico. Existe la microscopia
electrónica de transmisión y reflexión.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE TRANSMISIÓN.
La imagen formada en un microscopio electrónico de transmisión (TEM) está
formada por un haz de electrones que atraviesa una probeta. Se observan detalles
de la microestructura interna; los contrastes de la imagen se consiguen por
diferencias del haz difractado o dispersado por varios elementos de la
microestructura o defecto. Teniendo en cuenta que los materiales sólidos
absorben los haces de electrones, la probeta se debe preparar de forma muy
delgada para asegurar, así, la transmisión del haz incidente a través de ella. El
haz transmitido se proyecta en una pantalla fluorescente o película fotográfica a fin
de conseguir la imagen. Con el microscopio de transmisión, frecuentemente
utilizado para el estudio de las dislocaciones, se logran aproximadamente 1 000
000 de aumentos.
MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO.
Es una reciente innovación llamada a ser herramienta de investigación
extremadamente útil. La superficie de la probeta a examinar se barre con un haz
de electrones y el haz reflejado de electrones (back-scattered) se recoge y se
muestra con la misma velocidad de barrido en un tubo de rayos catódicos (una
pantalla similar a la TV). La imagen que aparece en la pantalla, que puede
fotografiarse, representa las características de la probeta. La superficie debe ser
eléctricamente conductora, independientemente de que estéo no pulida y atacada.
Son posibles aumentos de 10 a 50 000 diámetros, con gran profundidad de
campo.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
IV. ANALISIS DE FALLA
OBJETIVO.- El alumno será capaz de realizar diagnósticos de fallas para
categorizar modos y mecanismos de las mismas, según el tipo de carga al que
están sometidos los materiales utilizados en ingeniería, por medio de la teoría
mecánica, basado en herramientas informáticas.
RESULTADOS DE APRENDIZAJE.- Categorizar modos y mecanismos de la falla
según la teoría mecánica de la fractura.
Categorizar modos y mecanismos de la falla según la teoría mecánica de la
fractura, basado en metodologías de FEM.
TEMA I.- Modos de falla.
SABER.- Explicar los aspectos, modos y mecanismos de la falla según la teoría
mecánica.
SABER HACER.- Determinar el mecanismo de la falla por los distintos modos de
carga del elemento de máquina.
MODOS DE FALLA.
La energía específica de deformación en un punto de un sólido sujeto a un estado
de tensión cualquiera, es una función tanto de las tensiones actuantes como de
las deformaciones.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Las expresiones anteriores surgen de la consideración del comportamiento del
material como elástico lineal, es decir, que vale la Ley de Hooke.
En el caso más general de un estado triple tendremos que considerar la energía
específica de deformación correspondiente a cada tensión.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
TEORÍA DE FALLAS.
Componentes ingenieriles pueden estar sujetos a cargas complejas de presión,
tracción, compresión, torsión, flexión, o una combinación de ellas, de forma tal que
para un cierto punto del material se producen tensiones en más de una dirección.
Para una determinada relación de valores, tales tensiones combinadas pueden
causar la fluencia o fractura del material, aún cuando individualmente no alcancen
los signos de falla.
La predicción de límites seguros para el uso del material bajo tensiones
combinadas requiere la aplicación de un criterio de falla.
Existen gran cantidad de criterios de falla, algunos de los cuales son aptos para
predecir la falla por fractura en un caso, y en otros por fluencia. A los primeros los
llamamos criterios de fractura y a los segundos, criterios de fluencia.
Todos los criterios de falla considerados en el presente capítulo están basados en
valores de tensiones, de modo que su aplicación involucra el cálculo de valores
numérico de tensiones que caracterizan las tensiones combinadas, y luego la
comparación de este valor con la resistencia de fluencia o de fractura del material.
Un material dado puede fallar tanto por fluencia como por fractura, dependiendo
de sus propiedades y del estado de tensiones, de modo que en general debe ser
considerada la posibilidad de que cualquiera de los dos eventos ocurra primero.
CRITERIO DE FALLA.
La necesidad de la cuidadosa consideración de un criterio de falla es ilustrada por
los ejemplos de la sig fig.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Para estos ejemplos se asume que el material es un metal dúctil, el
comportamiento del mismo se aproxima al lineal elástico, perfectamente plástico.
El ensayo de tracción uniaxial proporciona el módulo de elasticidad E, y la tensión
de fluencia σf. Asumamos ahora que aplicamos también una compresión
transversal de igual valor que la tracción en este caso se observa
experimentalmente que la tensión σy, necesaria para causar la fluencia del
material es de alrededor de la mitad del va lor del ensayo de tracción uniaxial. Este
resultado es fácilmente verificado realizando un simple ensayo de torsión en un
tubo hueco de pared delgada, dónde el estado de tensiones deseado existe para
una orientación de 45º respecto al eje del tubo.
Consideramos ahora otro ejemplo, la tracción transversal σx de igual magnitud
que σy. Como la compresión transversal disminuye la resistencia a la fluencia, la
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
intuición sugiere que la tracción transversal la incrementa. Pero un experimento
demostrará que el efecto de la tracción transversal será pequeña o ausente sobre
la fluencia. El experimento podría ser realizado presurizando una esfera hueca de
pared delgada hasta la fluencia, o por una combinación de presión y tracción en
un tubo de pared delgada. Si se cambia el material por uno frágil, por ejemplo:
fundición de acero gris, ni tensiones trasversales de tracción ni de compresión
tienen mucho efecto en su fractura.
Un hecho experimental adicional de interés es que, es difícil y quizás imposible,
hacer llegar a la fluencia a un material si es ensayado bajo presiones hidrostáticas,
dónde tanto en tracción como en compresión. Esto es ilustrado
en la figura sig.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
La tracción hidrostática es difícil de lograr experimentalmente, pero la compresión
hidrostática consiste en colocar una muestra del material en una cámara
presurizada.
Así, se necesitan criterios de falla que sean capaces de reflejar tales efectos de
tensiones combinadas ya sea para la fluencia o la fractura.
Aunque deberían emplearse, en general, ambos criterios, (fractura y fluencia), los
materiales que típicamente se comportan como dúctiles, generalmente tendrán
limitada su utilidad por fluencia, y aquellos que se comportan típicamente como
frágiles están limitados por la fractura.
Una alternativa a los criterios de falla basados en tensiones, es analizar
específicamente fisuras en el material utilizando los métodos especiales de la
mecánica de fractura.
En la mayoría de los tratamientos que siguen, se asume que el material es
homogéneo e isótropo.
Los criterios de fluencia considerados predicen el comienzo de la deformación
plástica, más allá de donde la Ley de Hooke cesa de describir completamente el
comportamiento tensión- deformación.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
FORMA DEL CRITERIO DE FALLA.
Un estado multiaxial de tensiones en un cuerpo, es el estado más general que
puede presentarse ante una condición de solicitación. En la práctica, suele ser
complejo y hasta a veces imposible idear experimentos que puedan cubrir cada
detalle y cada particular combinación de tensiones, atento a las dificultades para
poder concretarlo como al extraordinario costo que el procedimiento implica. Por
tal razón se necesitan Hipótesis, Teorías o Criterios que permitan evaluar,
comparar y relacionar un estado de tensión cualquiera con los resultados
experimentales del ensayo típico de tracción, cuyo costo es relativamente bajo.
En la materia consideraremos dos posibilidades de falla:
a) Falla para materiales Dúctiles.
b) Falla para materiales Frágiles.
En la aplicación de un criterio de fluencia, la resistencia del material está dado por
su resistencia de fluencia. La resistencia de fluencia más comúnmente disponible
es la resistencia a la tracción σ0 , determinada a partir de un ensayo uniaxial
utilizando las deformaciones plásticas ya descriptas.
En la aplicación de un criterio de fractura, se utiliza usualmente la resistencia
última a la tracción su. Los criterios de fractura para materiales isotrópicos pueden
ser expresados en la forma matemática siguiente:
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Dónde se predice que ocurre la falla (fractura o fluencia), cuando una función
matemática específica, f, de las tensiones normales principales es igual a la
resistencia de falla del material, σc, en un ensayo de tracción uniaxial. La
expresión matemática también puede ser presentada en función de componentes
de tensión según un sistema de ejes cartesianos que no sea el de las tensiones
principales.
La resistencia de falla es tanto la resistencia de fluencia, o la resistencia última,
dependiendo de si es de interés la fluencia o la fractura.
Un requerimiento para que sea válido el criterio de falla es que debe dar el mismo
resultado sin importar la elección del sistema de coordenadas original del
problema.
Si cualquier caso particular, es dibujado en el espacio de tensiones principales,
esto es, en el sistema de coordenadas tridimensional, , la función f
forma una superficie que es llamada superficie de falla. La superficie de falla
puede ser tanto, una superficie de fractura o de fluencia.
En la discusión de los criterios de falla, procedemos a la consideración de varias
funciones específicas f, de ese modo tendremos varios tipos de superficies de
falla. Consideremos un punto en una pieza dónde las cargas aplicadas resultan en
valores particulares de las tensiones normales principales , y dónde la
propiedad del material es conocida, y también donde ha sido elegida una función
específica f.
Es entonces es útil definir una tensión efectiva , la cual es un valor numérico
simple que caracteriza el estado de tensiones aplicadas.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
La fluencia de materiales dúctiles, normalmente ocurre cuando la máxima tensión
de corte en cualquier plano alcanza un valor crítico τf ,el cual es una propiedad
del material.
Esta es la base del criterio de la máxima tensión tangencial, también conocido
como CRITERIO DE GUEST o de TRESCA. Para metales, tal aproximación es
lógica, basada en el hecho que los mecanismos de fluencia en una escala
microscópica son deslizamientos de planos de cristales, la cual es una
deformación por corte que se espera sea controlada por las tensiones de corte.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
TEMA II.- Mecanismos de deslizamiento y de fisura
SABER.- Explicar los aspectos, modos y mecanismos del deslizamiento y la fisura
según la teoría mecánica.
SABER HACER.- Determinar el mecanismo de la fractura en función de la forma
de propagación de la fisura en el deslizamiento granular de un material ferroso y
no ferroso.
EL DESLIZAMIENTO
Al deformar en frío y observar al microcopio metalográfico la superficie pulida de
un metal, se observan una serie de líneas oscuras que al ser analizadas de forma
cuidadosa corresponden a pequeños escalones producido por deslizamiento de
planos cristalinosen direcciones cristalinas. A estas líneas se les llamó líneas de
deslizamiento y se llego a la conclusión que la deformación plástica en metales se
debe al deslizamiento de planos cristalinos. La observación de líneas se deben
sólo a la manera en que trabaja el microscopio metalográfico, como se muestra en
el siguiente diagrama
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Se demostró que el deslizamiento ocurre en planos y direcciones cristalográficas
definidas, de tipo compacto y a la combinación del plano y dirección de
deslizamiento se le llamó sistema de deslizamiento, donde la dirección de
deslizamiento debe ser siempre paralela al plano de deslizamiento.
Los siguientes sistemas de deslizamiento han sido identificados en las diferentes
estructuras cristalinas.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
También se encontró que la ductilidad del material es función del grado de
compactación de los planos de deslizamiento y del número de sistemas de
deslizamiento. De esta manera, la ductilidad debería ser mayor en el sistema bcc,
pero el deslizamiento es dominado por el grado de compactación de los planos de
deslizamiento; así los metales fcc son más dúctiles que los bcc aun cuando tienen
menos sistemas de deslizamiento, porque son más compactos.
DESLIZAMIENTO EN LA RED PERFECTA.
La deformación plástica ocurre por deslizamiento, sea una red perfecta con dos
planos de deslizamiento paralelos. Al moverse un átomo sobre otro, el esfuerzo
varia en una forma cercana a una función seno, teniendo el máximo a la mitad del
camino de ascenso, como muestran las figuras siguientes:
Los vqlores típicos de G van de 10ê6 a 10ê7 psi, mientras que el T0 teorico
obtenemos que su vqlor es de 100 a 10000 veces mayor que el T0 real.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Tomando la aproximación senϴ=ϴ, para un ϴ pequeño,
la deformación de corte es:
y el rango elástico:
sustituyendo T y si a=b (típico en cristales cúbicos se tiene que
y obtendremos el esfuerzo teórico para deslizamiento de la red perfecta.
DESLIZAMIENTO POR MOVIMIENTO DE DISLOCACIONES.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Se q propuesto que la causa de deslizamiento es el movimiento de dislocaciones:
para que esto sea valido se deben demostrar primero tres aspectos:
1. El movimiento de dislocaciones produce deformación plástica.
2. El movimiento de dislocaciones produce características idénticas al
deslizamiento, formación de relieves y tener planos y direcciones
definidas.
3. El movimiento de dislocaciones debe ocurrir a un esfuerzo menor que el
teórico.
DESLIZAMIENTO POR MOVIMIENTO DE UNA DISLOCACIÓN
Considere una dislocación de borde.
La figura siguiente muestra como el movimiento de una dislocación de borde
produce deslizamiento en la red.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
MAGNITUD DE LA DEFORMACIÓN POR MOVIMIENTO DE
DISLOCACIONES.
Considere un cristal de altura h, deformado por una sola dislocación, con la
deformación como se indica en seguida:
La deformación de corte esta dada por:
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
DENSIDAD DE DISLOCACIONES.
La figura muestra que en un cristal h y largo L, las dislocaciones producen
pequeños escalones, de modo que, macroscópicamente, vemos una deformación
de corte puro.
El desplazamiento total es Δ y está dad por:
Donde xi es el desplazamiento producido por cada dislocación y N el número total
de dislocaciones. Sustituyendo:
El deslizamiento promedio será (x):
Supongamos que la deformación producida por cada dislocación es y, de tal
modo que:
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Ejemplo
Sea un cristal cubico de 1 cm de lado que se deforma 0.1 en corte puro. estime la
densidad de dislocaciones necesaria para producir esa deformación.
Solución
Supongamos que x es de 0.5 cm y el b= 3x10-8 cm, sustituyendo:
En este ejemplo se demuestra que se requiere de un gran número de
dislocaciones para poder deformar un cristal.es obvio que ese numero de
dislocaciones no existia al inicio, pues aun que se a demostrado
termodinamicamente que para que un cristal este en equilibrio necesita tener un
contenido minimo de dislocaciones, esta cantidad no es suficiente para producir la
mas pequeña deformacion y por tanto deben existir fuentes de dislocaciones
mecanismos de multiplicacion de dislocaciones en el metal para que este se
deforme de forma plastica.se dice que en los materiales recocidos y libres de
deformacion existe una densidad de dislocaciones de equilibrio es de 103 a 104
dislocaciones por cm2 , mientras que en materiales fuertemente deformados la
densidad de dislocaciones llega a ser de 1012 a 1014 dislocaciones por cm2 .
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
TEMA III.- Fractura por corte y por fisura durante la carga
SABER.- Explicar los aspectos, modos y mecanismos del corte y la fisura la teoría
mecánica.
SABER HACER.- Determinar el mecanismo de la fractura en función de la forma
de propagación de la fisura en el proceso de corte de un material ferroso y no
ferroso.
FRACTURA.
La fractura es la separación o fragmentación de un sólido bajo la acción de un
esfuerzo y con la formación de nuevas superficies. La fractura se considera como
la culminación del proceso esfuerzo-deformación, y transcurre en tres etapas:
1. Iniciación o nucleación de grietas
2. Propagación de grietas
3. Separación final
Por la cantidad de deformación plástica previa, la fractura se clasifica en dúctil si
hay una deformación plástica previa notable y frágil si existe poca o nula
deformación. El tipo de fractura depende tanto del material como de las
condiciones de carga y ambientales. La apariencia típica de las fracturas dúctil y
frágil se muestra en los siguientes esquemas.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
La clasificación en un sentido de ingeniería es válida, pues se ha demostrado que
varios procesos de fractura frágil en realidad ocurren con una intensa deformación
plástica a escala microscópica, como muestra la sig. figura. Un ejemplo de esto es
la fatiga. Después de una extensa deformación ocurre la fractura de una manera
totalmente frágil, como sucede en la termofluencia terciaria.
Las fracturas se clasifican por la trayectoria de la grieta como:
Intergranular
Transgranular
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Cuando la fractura ocurre bajo una sola aplicación de carga y en un tiempo muy
corto, se le llama fractura estática o por sobrecarga. Los tipos de fractura estática
son dúctil y frágil. Cuando la fractura resulta de la aplicación de cargas repetitivas
o fluctuantes, o bién transcurre en un tiempo se le llama fractura dinámic,
progresiva o retardada y los tipos de esta son:
Fatiga
Agrietamiento
Agrietamiento por termofluencia
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
TEMA IV.- Inestabilidad a la tensión y la compresión en el rango plástico
SABER.- Explicar los aspectos, modos y mecanismos de inestabilidad en el rango
plástico
SABER HACER.- Determinar las causas de inestabilidad tensional en el rango
plástico en un material ferroso y no ferroso.
PLASTICIDAD
La plasticidad es la habilidad que tiene un material de presentación de formación
permanente e irreversible como resultado de la aplicación de un esfuerzo y
esencialmente sin cambio de volumen, produciendo cambios en la micro
estructura y por tanto, en sus propiedades mecánicas. Estas deformaciones inician
cuando se supera un nivel crítico de esfuerzo, que en el caso de tensión uniaxial
es el esfuerzo de cadencia o limite elástico.
La deformación plástica es el resultado del reacomodo de partículas en el interior
del cuerpo. En experimentos se ha encontrado que la deformación plástica
presenta las siguientes características:
1) Es irreversible: Esto significa que, aunque macroscópicamente podamos
deformar un cuerpo y después volverlo a deformar para obtener la forma
inicial, la condición interna habrá cambiado. Las causas de la
irreversibilidad son el endurecimiento por deformación, que hace que el
esfuerzo de cadencia aumenta después de cierta deformación plástica y el
hecho de que la formación plástica es acumulativa.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
2) Depende de la trayectoria: Aun cuando la formación inicial y final sean
iguales, la deformación total dependerá de la trayectoria que se haya
seguido durante la deformación.
3) Constancia de volumen: generalmente es aceptado que los sólidos son
incomprensibles, por lo que el volumen no cambiara durante la deformación
plástica. En términos de deformación se puede expresar lo siguiente:
Despreciando la multiplicación de componentes:
Esta ecuación indica que si durante la deformación plástica el volumen permanece
constante, la suma de las componentes de deformación normal es cero; a esto se
le llama compatibilidad.
El comportamiento plástico es caracterizado por la curva esfuerzo deformación es
tención uniaxial, cuya forma típica es mostrada abajo.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
1. Punto de cadencia.
2. Zona elásto- plástica.
3. Endurecimiento por deformación.
4. Resistencia máxima o resistencia tensil.
5. Formación del cuello.
6. Punto de fractura.
7. Ductilidad.
8. Histerisis.
9. Anelasticidad.
La curva de esfuerzo- deformación la aplicamos para determinar cómo se
clasifican los materiales:
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
TEMA V.- Fenómenos de pandeo en materiales.
SABER.- Explicar los aspectos, modos y mecanismos del pandeo.
SABER HACER.- Determinar la degradación del material en el:
-Pandeo elástico de columnas
-Pandeo local de tubos en compresión.
-Pandeo lateral de vigas en flexión.
-Pandeo por corte de placas planas
PANDEO
Se conoce con el nombre de pandeo a la deformación que experimenta una viga o
pieza prismática cuya longitud es mucho mayor que su dimensión transversal
mínima, cuando la sometemos a una fuerza axial de compresión que alcanza un
cierto valor crítico.
El pandeo se manifiesta porque la pieza que lo sufre pierde la forma rectilínea que
tenía y adopta otra curvilínea, que recibe el nombre de curva elástica.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
La causa del pandeo se debe a la inestabilidad elástica de la pieza frente a la
fuerza de compresión aplicada, lo que explica que se deforme de una manera
diferente (flexión, en vez de compresión) con objeto de alcanzar la estabilidad.
PANDEO ELÁSTICO.
El pandeo elástico establece que el desplazamiento de un cuerpo elástico es
proporcional a la carga que lo produce.
Esta relación, ahora conocida como Ley de Hooke, podía ser aplicada a todos los
``cuerpos elásticos, metal, madera, piedra, cabello,hueso, tendón, seda, tierra
cocida, vidrio, etc.``.
La ―carga de Euler‖ es la carga para la cual una columna esbelta y elástica puede
entrar en una configuración de flexión por efecto de carga axial únicamente. Euler
dedujo su fórmula en la hipótesis de lo que él llamó ―momento de rigidez‖ de la
barra y que era igual a:
donde E k2 era una constante a determinar por vía experimental y r el radio de
curvatura de la columna.
Euler escribió la fórmula para calcular ―la fuerza necesaria para flectar la columna‖
como:
donde E es una propiedad resistente y k2 una característica dimensional de la
sección.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Dirección de pandeo
Existen diferentes maneras o modos de fallo por pandeo. Para un elemento
estructural frecuentemente hay que verificar varios de ellos y garantizar que las
cargas están lejos de las cargas críticas asociadas a cada modo o manera de
pandear. Los modos típicos son:
Pandeo flexional. Modo de pandeo en el cual un elemento en compresión
se flecta lateralmente sin giro ni cambios en su sección transversal.
Pandeo torsional. Modo de pandeo en el cual un elemento en compresión
gira alrededor de su centro de corte.
Pandeo flexo-torsional. Modo de pandeo en el cual un elemento en
compresión se flecta y gira simultáneamente sin cambios en su sección
transversal.
Pandeo lateral-torsional. Modo de pandeo de un elemento a flexión que
involucra deflexión normal al plano de flexión y, de manera simultánea, giro
alrededor del centro de corte.
PANDEO FLEXIONAL.
Los pilares y barras comprimidas de celosías pueden presentar diversos modos de
fallo en función de su esbeltez mecánica:
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Los pilares muy esbeltos suelen fallar por pandeo elástico y son sensibles
tanto al pandeo local el propio pilar como al pandeo global de la estructura
completa.
En los pilares de esbeltez media las imperfecciones constructivas como las
heterogeneidades son particularmente importantes pudiéndose presentar
pandeo anelástico.
Los pilares de muy baja esbeltez fallan por exceso de compresión, antes de
que los efectos del pandeo resulten importantes.
PANDEO LOCAL.
El pandeo local es el que aparece en piezas o elementos aislados o que
estructuralmente pueden considerarse aislados. En este caso la magnitud de la
carga crítica viene dada según el caso por la fórmula de Leonhard Euler o la de
Engesser. La carga crítica de Euler depende de la longitud de la pieza, del
material, de su sección transversal y de las condiciones de unión, vinculación o
sujeción en los extremos. Para una pieza que puede considerarse biarticulada en
sus extremos la carga crítica de Euler viene dada por:
Modelo de los distintos tipos de pandeo de Euler
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Como se puede ver, según las coacciones externas de la viga, la deformación
debida al pandeo será distinta.
Siendo: Pcrit, la carga crítica; E, Módulo de Young del material de que está hecha
la barra; Imin, momento de inercia mínimo de la sección transversal de la barra; L,
longitud de la barra y λ la esbeltez mecánica de la pieza. Cuando las condiciones
de sujeción de los extremos son diferentes la carga crítica de Euler viene dada por
una ecuación del tipo:
Al producto se le llama longitud de pandeo.
PANDEO GLOBAL.
En una estructura compleja formada por barras y otros elementos enlazados
pueden aparecer modos de deformación en los que los desplazamientos no sean
proporcionales a las cargas y la estructura puede pandear globalmente sin que
ninguna de las barras o elementos estructurales alcance su propia carga de
pandeo. Debido a este factor, la carga crítica global de cierto tipo de estructuras
(por ejemplo en entramados de cúpulas monocapa) es mucho menor que la carga
crítica (local) de cada uno de sus elementos.
El tipo de estructura más simple que presenta pandeo global para carga crítica
diferente de la de sus elementos está formado por dos barras articuladas entre sí1
y a la cimentación, que se muestra en la figura.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de la estructura son:
Ecuación de equilibrio:
Relación elástica entre acortamiento y esfuerzo axial:
Relación geométrica de las configuraciones no-deformada y deformada:
Donde: N, esfuerzo axial de cada una de las barras; ΔL, acortamiento sufrido por
las barras para adoptar la configuración deformada; Δθ = θ-θ', es la diferencia de
ángulos mostrada en la figura; E, módulo de Young del material de las barras; A,
área transversal de cada una de las barras; L, longitud inicial de cada una de las
dos barras.
Substituyendo la segunda de las ecuaciones en la primera, despejando ΔL de la
tercera y substituyendo su valor también su valor en la primera se llega a:
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
El valor de Δθ para el que se alcanza el máximo es precisamente la carga crítica
global. Las cargas de pandeo global y local vienen dadas por:
Cada una estas cargas presenta modos de fallo diferentes en la estructura. De
entre los dos posibles modos de fallo por pandeo ocurrirá el que presente un
ángulo de aparición mayor donde estos ángulos vienen dados por:
PANDEO TORSIONAL.
En vigas de alas anchas o de escasa rigidez torsional, el pandeo flexional
convencional puede ir acompañado de la aparición de una torsión de la sección,
resultando un modo de fallo mixto conocido como pandeo torsional o pandeo
lateral. El momento torsor crítico para el cual aparecería ese tipo de fallo viene
dado por:
Donde las nuevas magnitudes son:
, es el momento de inercia mínimo en flexión.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
, son respectivamente el módulo de alabeo y el módulo de torsión.
, el módulo de elasticidad transversal.
Y el resto de magnitudes tienen el mismo significado que para el pandeo flexional
puro. En piezas donde el momento de alabeo es despreciable puede usarse la
expresión aproximada:
CURVA ELÁSTICA.
Una manera de encontrar la carga crítica de una estructura consiste en
presuponer la forma cualitativa en que esta pandeará, parametrizando esa forma
cualitativa mediante varios parámetros incógnita. Introduciendo esa forma
cualitativa en la ecuación de la curva elástica y buscando que la solución
parametrizada satisfaga las condiciones de contorno cualitativas, que
normalmente se refieren a desplazamientos y giros de los nudos de las barras de
la estructura, se obtienen relaciones entre los parámetros incógnita introducidos.
El valor de la carga crítica es precisamente el que hace que dichas relaciones se
cumplan.
El método de Euler para barras aisladas es un ejemplo de uso de este método.
Por ejemplo para determinar la carga de crítica de un pilar empotrado en su base y
libre en el extremo tratamos de resolver la ecuación de la
curva elástica bajo las siguientes condiciones:
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Forma cualitativa de pandeo de un pilar empotrado
en su base y libre en su extremo superior
La solución de esa ecuación, en función del parámetro de desplazamiento
horizontal del pilar, resulta ser:
DIMENSIONADO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A PANDEO.
En ingeniería estructural existe una necesidad práctica de dimensionar los
elementos lineales sometidos a compresión con la suficiente sección transversal
como para que no fallen por pandeo. La sección transversal necesaria para que
eso no ocurra es muchas veces mayor que la que sería necesaria para soportar
un esfuerzo de tracción de la misma magnitud (entre 1,5 y 6 veces en la mayoría
de casos). La mayoría de normas usan un coeficiente de reducción de la
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
resistencia cuando el esfuerzo sobre el elemento lineal es de compresión y no de
tracción. El Eurocódigo por ejemplo da para la resistencia de un pilar sometido a
compresión y tracción simples las siguientes resistencias:
Donde:
son respectivamente el esfuerzo axial último en tracción y el esfuerzo
axial último en compresión.
son el área bruta de la sección transversal y el área efectiva de la
sección transversal (para la mayoría de secciones transversales, ambas
coinciden).
, es la tensión máxima admisible sobre el material.
, es el coeficiente khi de reducción de la resistencia por pandeo.
TEMA VI.- Simulación de distribución de cargas en un sistema según el balance
de elemento finito
SABER.- Explicar los aspectos técnicos básicos de la teoría de falla y la
modelación de elemento finito.
SABER HACER.- Determinar procesos de deformación y puntos críticos en
elementos de mecanismos y sistemas basados en el método de Modelado en
Elementos Finitos (FEM)
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
ELEMENTO FINITO
Análisis de ingeniería de sistemas mecánicos se han abordado mediante la
derivación diferencial ecuaciones que relacionan las variables a través de
principios físicos básicos, tales como el equilibrio, conservación de la energía, la
conservación de la masa, las leyes de la termodinámica, Maxwell ecuaciones y
leyes de Newton del movimiento. Sin embargo, una vez formulada, la solución de
los derivados modelos matemáticos a menudo es imposible, especialmente
cuando los modelos resultantes no son lineal de ecuaciones en derivadas
parciales. Sólo muy simples problemas de geometría regular tales como una
forma rectangular de un círculo con las condiciones de contorno simple fueron
manejables.
El método de elementos finitos (FEM) es la técnica dominante en la discretización
estructurales mecánica. El concepto básico en la interpretación física de la FEM
es la subdivisión del modelo matemático en disjuntas (no se solapan) los
componentes de la simple geometría llamados elementos finitos o elementos para
el cortocircuito. La respuesta de cada elemento es expresado en términos de un
número finito de grados de libertad se caracteriza como el valor de una función
desconocida, o funciones, en un conjunto de puntos nodales.
La respuesta del modelo matemático se considera entonces que se aproxima por
la de el modelo discreto obtenido mediante la conexión o montaje de la colección
de todos los elementos.
Por ejemplo, es fácil de visualizar un motor, puente, edificio, avión, o el
esqueleto como fábrica de componentes más simples. A diferencia de diferencias
finitas modelos de elementos finitos no se solapan en el espacio.
Análisis de elementos finitos.
Un análisis de elementos finitos típica de un sistema de software requiere la
siguiente información:
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
1. Ubicaciones de los puntos nodales espacial (geometría)
2. Los elementos que unen los puntos nodales
3. Misa propiedades
4. Las condiciones de contorno o restricciones
5. Carga o forzar detalles función
6. Análisis de opciones
Porque FEM es un método de discretización, el número de grados de libertad de
un mercado de cambios modelo es necesariamente finito. Que se recogen en un
vector columna llamada u. Este vector es generalmente se llama el vector DOF o
vector de estado. El vector de desplazamientos nodales plazo para u está
reservado para aplicaciones mecánicas.
Solución en MEF en 2D las líneas muestran la dirección de la densidad de flujo
calculada, y el color, su magnitud.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Mallado de la imagen anterior.
El MEF permite obtener una solución numérica aproximada sobre un cuerpo,
estructura o dominio (medio continuo) —sobre el que están definidas ciertas
ecuaciones diferenciales en forma débil o integral que caracterizan el
comportamiento físico del problema— dividiéndolo en un número elevado de
subdominios no-intersectantes entre sí denominados «elementos finitos». El
conjunto de elementos finitos forma una partición del dominio también denominada
discretización. Dentro de cada elemento se distinguen una serie de puntos
representativos llamados «nodos». Dos nodos son adyacentes si pertenecen al
mismo elemento finito; además, un nodo sobre la frontera de un elemento finito
puede pertenecer a varios elementos. El conjunto de nodos considerando sus
relaciones de adyacencia se llama «malla».
Los cálculos se realizan sobre una malla de puntos (llamados nodos), que sirven a
su vez de base para discretización del dominio en elementos finitos. La generación
de la malla se realiza usualmente con programas especiales llamados
generadores de mallas, en una etapa previa a los cálculos que se denomina pre-
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
proceso. De acuerdo con estas relaciones de adyacencia o conectividad se
relaciona el valor de un conjunto de variables incógnitas definidas en cada nodo y
denominadas grados de libertad. El conjunto de relaciones entre el valor de una
determinada variable entre los nodos se puede escribir en forma de sistema de
ecuaciones lineales (o linealizadas). La matriz de dicho sistema de ecuaciones se
llama matriz de rigidez del sistema. El número de ecuaciones de dicho sistema es
proporcional al número de nodos.
Típicamente el método de los elementos finitos se programa computacionalmente
para calcular el campo de desplazamientos y, posteriormente, a través de
relaciones cinemáticas y constitutivas las deformaciones y tensiones
respectivamente, cuando se trata de un problema de mecánica de sólidos
deformables o más generalmente un problema de mecánica de medios continuos.
El método de los elementos finitos es muy usado debido a su generalidad y a la
facilidad de introducir dominios de cálculo complejos (en dos o tres dimensiones).
Además el método es fácilmente adaptable a problemas de transmisión de calor,
de mecánica de fluidos para calcular campos de velocidades y presiones
(mecánica de fluidos computacional, CFD) o de campo electromagnético. Dada la
imposibilidad práctica de encontrar la solución analítica de estos problemas, con
frecuencia en la práctica ingenieril los métodos numéricos y, en particular, los
elementos finitos, se convierten en la única alternativa práctica de cálculo.
Una importante propiedad del método es la convergencia; si se consideran
particiones de elementos finitos sucesivamente más finas, la solución numérica
calculada converge rápidamente hacia la solución exacta del sistema de
ecuaciones.