REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL BOLIVARIANA

CÁTEDRA: ELEMENTOS CIENCIAS DE LOS MATERIALES

UNIDAD II DEFORMACIÓN PLÁSTICA

ENSAYOS

PROFESOR: ING. LUIS ARTURO LOVERA

JULIO, 2015

INTRODUCCIÓN

PASOS EN EL PROCESO DE SELECCIÓN DE MATERIALES

Se debe analizar la aplicación del material, a fin de determinar las características más importante que el mismo debe poseer, respondiendo las siguientes preguntas:

¿Deberá ser resistente, rígido o ductil? ¿Estará sometido a la aplicación de una fuerza cíclica importante o a una fuerza súbita intensa? ¿A un gran esfuerzo y temperatura elevada o a condiciones abasivas?

INTRODUCCIÓN

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES • Cohesión: Resistencia de los átomos a separarse unos de otros.

• Ductilidad: se refiere a la propiedad que presentan los materiales de

deformarse sin romperse obteniendo hilos.

• Dureza: es la resistencia de un cuerpo a ser rayado por otro.

• Elasticidad: se refiere a la propiedad que presentan los materiales de volver a su estado inicial cuando se aplica una fuerza sobre él.

• Fatiga: se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas.

INTRODUCCIÓN

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES (continuación)

• Higroscopicidad: se refiere a la propiedad de absorber o exhalar el agua.

• Hendibilidad: es la propiedad de partirse en el sentido de las fibras o

láminas (si tiene). • Maleabilidad: se refiere a la propiedad que presentan los materiales

de deformarse sin romperse obteniendo láminas..

• Resiliencia: es la capacidad de oponer resistencia a la destrucción por carga dinámica.

• Resistencia: se refiere a la propiedad que presentan los materiales

para soportar las diversas fuerzas.

INTRODUCCIÓN

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES (continuación)

• Plasticidad: Capacidad de un material a deformarse ante la acción de una carga, permaneciendo la deformación al retirarse la misma. Es decir es una deformación permanente e irreversible.

• Fluencia: es la deformación irrecuperable de la probeta, a partir de la

cual sólo se recuperará la parte de su deformación correspondiente a la deformación elástica, quedando una deformación irreversible.

• Tensión: Acción de fuerzas opuestas a que está sometido un cuerpo.

ENSAYOS. 1.- Ensayos de tensión: uso del diagrama esfuerzo - deformación. Se denomina ensayo de tensión, a la prueba que permite conocer las características de un material cuando se somete a esfuerzos de tracción. El objetivo es determinar la resistencia a la rotura y las principales propiedades mecánicas del material que es posible apreciar en el diagrama esfuerzo-deformación: Límite Elástico. Punto de Fluencia. Límite de Fluencia. Punto de Fractura.

Fuente: Berrocal, L (2007)

ENSAYOS. 1.- Ensayos de tensión: uso del diagrama esfuerzo - deformación.

Figura 01. Diagrama de un ensayo de tensión. (Askeland, 1998)

ENSAYOS. 1.- Ensayos de tensión: uso del diagrama esfuerzo - deformación. En la siguiente figura se muestran ejemplos de dos curvas correspondiente al ensayo de tensión de un material frágil y uno dúctil.

Figura 02. Curvas de material frágil y dúctil del ensayo de tensión.

ENSAYOS. 1.- Ensayos de tensión: uso del diagrama esfuerzo - deformación. La curva obtenida, marca los siguientes puntos característicos: Y: Límite de fluencia (punto que marca el fin de la zona de comportamiento elástico, en el que la deformación permanente alcanza el 0.2 %) U: Límite de resistencia última (máxima tensión que resiste el material antes de romper) F: Límite de rotura (punto en el que rompe el material)

ENSAYOS. 1.- Ensayos de tensión: uso del diagrama esfuerzo - deformación. ESFUERZO Y DEFORMACIÓN INGENIERILES. El Esfuerzo y la deformación ingenieril, se define mediante las ecuaciones 1.1 y 1.2. (1.1) (1.2)

ENSAYOS. 1.- Ensayos de tensión: uso del diagrama esfuerzo - deformación. Ejercicio 01. Resultados de un ensayo de tensión de una barra de aleación de aluminio de 0,505 pulgadas de diámetro y una longitud calibrada de 2 pulgadas.

DATOS DEL PROBLEMA

RESOLUCIÓN DEL EJERCICIO

ENSAYOS. 1.- Ensayos de tensión: uso del diagrama esfuerzo - deformación. Gráfica 01. Curva esfuerzo – deformación correspondiente a una aleación de aluminio de la tabla 01

ENSAYOS.

UNIDADES Y FACTORES DE CONVERSIÓN

ENSAYOS. 2.- Propiedades obtenidas del ensayo de tensión. 2.1.- Esfuerzo de cedencia: Se define como el punto en el cual, el material sufre una deformación plástica, es decir, el material pasa la zona de deformación elástica y queda deformado permanentemente. 2.2.- Resistencia a la tensión: Es la relación de la máxima carga soportada durante la prueba de tensión entre el área de la sección transversal original. 2.3.- Modulo de elasticidad o módulo de Young: Es la pendiente de la curva esfuerzo – deformación en su región elástica. Esta relación es la Ley de Hooke:

𝐸 =𝜎

𝜀

ENSAYOS. 2.- Propiedades obtenidas del ensayo de tensión. De los datos del ejemplo 1, calcule el módulo de elasticidad de la aleación de aluminio. Utilice este módulo para determinar la longitud de una barra de 50 plg a la cual se le ha aplicado un esfuerzo de 30000 psi.

Módulo de Elasticidad: 𝐸 =𝜎

𝜀=

35000 𝑙𝑏

0,0035 𝑝𝑙𝑔/𝑝𝑙𝑔= 10𝑥106 𝑙𝑏/𝑝𝑙𝑔

De la Ley de Hooke: 𝜀 =𝜎

𝐸=

30000 𝑙𝑏

10𝑥106 𝑙𝑏/𝑝𝑙𝑔= 0,003 𝑝𝑙𝑔

𝑙 = 𝑙𝑜 + 𝜀𝑙𝑜 = 50 𝑝𝑙𝑔 + 0,003𝑝𝑙𝑔 50𝑝𝑙𝑔 = 50, 15𝑝𝑙𝑔

ENSAYOS. 2.- DUCTILIDAD. La ductilidad mide el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Se puede medir la distancia entre las marcas calibradas en una probeta antes y después del ensayo. El porcentaje de elongación representa la distancia que la probeta se alarga plásticamente antes de la fractura.

% de elongación =𝑙𝑓 −𝑙𝑜

𝑙𝑜𝑥 100

Donde: 𝑙𝑓 es la distancia entre las carcas calibradas después de la ruptura del

material.

ENSAYOS. 2.- DUCTILIDAD. Otro método para medir la ductilidad es calcular el cambio porcentual en el área de la sección transversal en el punto de fractura antes y después del ensayo . El porcentaje de reducción de área es:

% de 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 á𝑟𝑒𝑎 =𝐴𝑜 − 𝐴𝑓

𝐴𝑜𝑥 100

ENSAYOS. 2.- DUCTILIDAD. EJEMPLO: La aleación de alumnio del ejemplo 1 tiene una longitud final entre marcas calibradas, después de haber fallado, de 2,195 plg y un diámetro final de 0,398 plg en la fractura. Calcule la ductilidad de esta aleación.

% de elongación =𝑙𝑓 −𝑙𝑜

𝑙𝑜𝑥 100

% de elongación =2,195 𝑝𝑙𝑔 − 2 𝑝𝑙𝑔

2 𝑝𝑙𝑔∗ 100% = 9,75%

% de 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 á𝑟𝑒𝑎 =𝐴𝑜 − 𝐴𝑓

𝐴𝑜𝑥 100

% de 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 =

𝜋 0,5052

4 −

𝜋 0,3982

4

𝜋 0,5052

4

𝑥 100 = 37,9%

ENSAYOS.

ESFUERZO REAL – DEFORMACIÓN REAL Se define mediante las ecuaciones:

Esfuerzo real 𝜎𝑟 =𝐹

𝐴 (1.5)

Deformación real 𝜀𝑟 = 𝑑𝑙

𝑙= 𝐿𝑁

𝑙

𝑙𝑜= 𝐿𝑁

𝐴𝑜

𝐴 (1.6)

Gráfica 02. Relación entre el diagrama esfruezo real – deformación real y

el diagrama esfuerzo – deformación ingenieril (Askeland, 1998)

ENSAYOS.

ESFUERZO REAL – DEFORMACIÓN REAL EJEMPLO: Compare el esfuerzo y la deformación ingenieriles con el esfuerzo y la deformación reales, para la aleación de aluminio del ejercicio 01 en la: a.- Carga máxima o resistencia a la tensión. b.- Fractura SOLUCIÓN DE LA PARTE (A): Carga Máxima o resistencia a la tensión

ENSAYOS.

ESFUERZO REAL – DEFORMACIÓN REAL EJEMPLO: Compare el esfuerzo y la deformación ingenieriles con el esfuerzo y la deformación reales, para la aleación de aluminio del ejercicio 01 en la: a.- Carga máxima o resistencia a la tensión. b.- Fractura SOLUCIÓN DE LA PARTE (B): Fractura

DUREZA. La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre otras. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho más difícil de rayar. Las diversas pruebas de dureza se pueden dividir en tres categorías: • Dureza Elástica. • Dureza al corte o abrasión. (INVESTIGAR) • Resistencia a la indentación.

DUREZA.

Dureza Elástica Este tipo de dureza se mide mediante un escleroscopio, el cual es un dispositivo para medir la altura de rebote de un pequeño martillo con punta de sauco o diamante, después de que cae por su propio peso desde una altura definida sobre la superficie de la pieza a prueba. El instrumento tiene por lo general un disco autoindicador tal que la altura de rebote se indica automáticamente. Cuando el martillo se eleva a su posición inicial, tiene cierta cantidad de energía potencial que se convierte en energía cinética al ser liberado, golpeando la superficie de la muestra a ensayar. Parte de la energía se absorbe por la muestra y el resto eleva de nuevo el martillo. La altura de rebote se indica por un número sobre una escala arbitraria tal que cuanto mayor sea el rebote, mayor será el número y la pieza a prueba será más dura.

DUREZA.

Resistencia a la indentación Esta prueba generalmente es realizada imprimiendo en la muestra, lo que está en reposo sobre una plataforma rígida, un marcador o indentador de geometría determinada, bajo una carga estática conocida que se aplique directamente o por medio de un sistema de palanca. Dependiendo del sistema de prueba, la dureza se expresa por un número inversamente proporcional a la profundidad de la indentación para una carga y marcador especificados , o proporcional a una carga media sobre el área de mella. Los métodos más comunes para puebas de dureza por indentación son: • Ensayo o Prueba de Dureza Rockwell • Ensayo o Prueba de dureza Brinell • Ensayo o Prueba de Dureza Vickers (Investigar) • Ensayo o Prueba de Microdureza (Investigar)

ENSAYOS.

ENSAYO DE DUREZA El ensayo de dureza mide la resistencia de la superficie de una material a la penetración de un objeto duro . Se han inventado una diversidad de pruebas de dureza, pero las de uso más común son los ensayos Rockwell y Brinell.

ENSAYOS.

ENSAYO DE DUREZA 1.- Ensayo de Dureza Rockwell (Cont.) El ensayo consiste en disponer un material con una superficie plana en la base de la máquina. Se le aplica una precarga menor de 10 kg, básicamente para eliminar la deformación elástica y obtener un resultado mucho más preciso. Luego se le aplica durante unos 15 segundos una fuerza que varía desde 60 a 150 kg a compresión. Se desaplica la carga y mediante un durómetro Rockwell se obtiene el valor de la dureza directamente en la pantalla, el cual varía de forma proporcional con el tipo de material que se utilice. También se puede encontrar la profundidad de la penetración con los valores obtenidos del durómetro si se conoce el material.

ENSAYOS.

ENSAYO DE DUREZA 1.- Ensayo de Dureza Rockwell (Cont.) Para no cometer errores muy grandes el espesor de la probeta del material en cuestión debe ser al menos diez veces la profundidad de la huella.

ENSAYOS.

ENSAYO DE DUREZA 1.- Ensayo de Dureza Rockwell. (Cont.) Hay dos (2) máquinas Rockwell: el probador normal para secciones relativamente gruesas y el probador superficial para secciones delgadas. La carga menor es de 10 Kg en el probador normal y de 3 Kg en el probador superficial. Durómetro Rockwell Durómetro Superficial Digital

ENSAYOS.

ENSAYO DE DUREZA 1.- Ensayo de Dureza Rockwell. (Cont.) Pueden utilizarse diversos marcadores de muescas y cargas, y cada combinación determina una escala Rockwell específica. Los marcadores de muescas incluyen bolas de acero duras de 1 16 , 1 8 , ¼ y ½ pulgadas de diámetro y un marcador cónico de 120º. Generalmente las cargas mayores son de 60, 100 y 150 Kg en el probador o durómetro normal y de 15, 30 y 45 Kg en el probador o durómetro superficial. Las escalas Rockwell empleadas comúnmente son la B (marcador de bola 1 16 de pulgada de diámetro y 100 Kg de carga) y la C (marcador de diamante y 150 Kg de carga), ambas obtenidas con el probador o durómetro normal.

ENSAYOS.

ENSAYO DE DUREZA 1.- Ensayo de Dureza Rockwell. (Cont.) Debido a que hay muchas escalas Rockwell, el número de dureza debe especificarse mediante el símbolo HR seguido de la letra que designa la escala y precedido por los números de dureza. Por ejemplo:

60HRB Significa, que un material se le ha aplicado un esfuerzo de 60 Kg, a través del ensayo Rockwell usando la escala B. Es importante mencionar, que el funcionamiento de la máquina debe ser verificado frecuentemente con bloques de prueba estándar proporcionados por el fabricante.

ENSAYOS.

ENSAYO DE DUREZA Tabla 1.1. Escala de dureza de Rockwell

ENSAYOS.

ENSAYO DE DUREZA

2.- Ensayo de Dureza Brinell El probador de dureza Brinell generalmente consta de una prensa hidráulica vertical de operación manual, diseñada para forzar un marcador de bola dentro de la muestra. El procedimiento estándar requiere que la prueba se haga con una bola de 10 mm de diámetro bajo una carga de 3000 Kg para metales ferrosos a 500 Kg para metales no ferrosos. Para metales ferrosos, la bola bajo presión es presionada dentro de la muestra a prueba durante 10 segundos ; para metales no ferrosos el tiempo es de 30 segundos. El diámetro de la impresión producida es medido por medio de un microscopio que contiene una escala ocular , generalmente graduada en décimo de milímetros, que permite estimaciones de hasta casi 0,05 milímetro.

ENSAYOS.

ENSAYO DE DUREZA

2.- Ensayo de Dureza Brinell (Cont.) La ecuación matemática utilizada para calcular el número de dureza o índice de dureza de Brinell, es el siguiente:

𝐻𝐵 =𝐹

𝜋𝐷2

𝐷 − 𝐷2 − 𝑑2

Donde: 𝐹 = Carga de Prueba, Kg 𝐷= Diámetro de la Bola, mm 𝑑= Diámetro de la impresión, mm

ENSAYOS.

ENSAYO DE DUREZA

2.- Ensayo de Dureza Brinell (Cont.) Tabla 2.1. Valores aproximados de algunos materiales en dureza Brinell.

Material Acero (Blando)

Acero de Herramientas Acero Inoxidable

Aluminio Cobre

Madera Vidrio

Número de dureza Brinell 125 500 250 100 80

Entre 1 y 7 482

ENSAYOS.

ENSAYO DE DUREZA

2.- Ensayo de Dureza Brinell (Cont.) Para otras condiciones, el numero de dureza y el símbolo HB se complementan por números que indican las condiciones de prueba en el siguiente orden: diámetro de la bola, carga y duración de la carga. Por ejemplo:

75 HB 10/500/30 Lo anterior indica, una dureza Brinell de 75 N/m2, medida con una bola de 10 mm de diámetro y una carga de 500 Kg aplicada por 30 segundos.

ENSAYOS.

ENSAYO DE DUREZA

2.- Ensayo de Dureza Brinell (Cont.) El numero de dureza Brinell cuando se usa la bola ordinaria (acero endurecido) está limitado a 500 HB aproximadamente. Conforme el material a prueba sea más duro, hay tendencia a que el propio marcador de muescas se empiece a deformar y las lecturas no serán exactas. El límite superior de la escala puede aumentarse al usar una bola de carburo de tungsteno en vez de la bola de acero endurecido. En ese caso es posible llegar a 650 HB aproximadamente.

2.- Ensayo de Dureza Brinell (Cont.) NORMAS TÉCNICAS. Madera - ISO 3350 Metales (de dureza blanda a media). • EN ISO 6506-1:2005: Metales - Prueba Brinell - Parte 1: Método de la

prueba • EN ISO 6506-2:2005: Metales - Prueba Brinell - Parte 2: Verificación y

calibración de la máquina de pruebas • EN ISO 6506-3:2005: Metales - Prueba Brinell - Parte 3: calibración de

los bloques de referencia • EN ISO 6506-4:2005: Metales - Prueba Brinell - Parte 4: Tablas de

valores de dureza En Estados Unidos de Norteamérica. • ASTM E10-08: Método estándar para la prueba de dureza Brinell para

materiales metálicos.

2.- Ensayo de Dureza Brinell (Cont.) NORMAS TÉCNICAS (Cont.). En la República Bolivariana de Venezuela. • COVENIN 3690-1:2001. Ensayo de Dureza Brinell. Parte 1: Método de

Ensayo. • COVENIN 3690-2:2001. Ensayo de Dureza Brinell. Parte 2: Verificación

y Calibración de las máquinas de ensayo.

ACTIVIDAD INVESTIGATIVA: -INVESTIGAR LAS NORMAS TÉCNICAS NACIONAL E INTERNACIONAL DEL ENSAYO DE ROCKWELL. -ENSAYO DE DUREZA DE VICKERS. -ENSAYO DE MICRODUREZA.

2.- Ensayo de Dureza Brinell (Cont.) EJERCICIOS • Calcular la dureza Brinell de un acero con un penetrador de 10mm y

carga de 2500 Kg. Produciendo una huella de 8.5mm. • Calcular la dureza Brinell de un acero con un penetrador de 10mm y

carga de 3000 Kg. Produciendo una huella de 3.75mm.

Tabla 2.2. Aplicaciones típicas de las pruebas de dureza por indentación. (Fuente: Aver, 1996)

Ensayos de impacto Aunque la tenacidad de un material puede obtenerse calculando el área bajo el diagrama esfuerzo – deformación, la prueba o ensayo de impacto indicará la tenacidad relativa. Por lo general, para las pruebas de impacto se utilizan dos tipos de muestras: • Ensayo o Prueba de Charpy • Ensayo o Prueba de Izod.

Ensayos de impacto • Ensayo o Prueba de Charpy. Es un péndulo ideado por Georges Charpy que se utiliza en ensayos para determinar la tenacidad de un material. Son ensayos de impacto de una probeta entallada y ensayada a flexión en 3 puntos. El péndulo cae sobre el dorso de la probeta y la parte. La diferencia entre la altura inicial del péndulo (H) y la final tras el impacto (h) permite medir la energía absorbida en el proceso de fracturar la probeta. En estricto rigor se mide la energía absorbida en el área debajo de la curva de carga, desplazamiento que se conoce como resiliencia.

Ensayos de impacto • Ensayo o Prueba de Charpy. La energía absorbida en el impacto por la probeta usualmente se calcula como la diferencia de alturas inicial y final del péndulo, esto supone, obviamente despreciar algunas pérdidas por rozamiento). La fórmula de cálculo para la energía de impacto es:

𝜏 = 𝑃 𝐻 − ℎ 𝑔 = 𝑃𝑙 𝑐𝑜𝑠𝛽 − 𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑔

𝜏 = es la energía empleada en la rotura en Joules. 𝑃 = es la masa del péndulo en Kg. 𝑔 = es la gravedad (9,8 𝑚/𝑠2) 𝐻 = es la altura inicial del péndulo ℎ = es la altura final del péndulo 𝑙 = es la longitud del péndulo en metros. 𝛼, 𝛽 = son los ángulos que forma el péndulo con la vertical antes y después de soltarlo, respectivamente.

Ensayos de impacto • Ensayo o Prueba de Izod. Es un tipo de ensayo destructivo dinámico de resistencia al choque que utiliza un péndulo de Charpy como herramienta. Este procedimiento se lleva a cabo para averiguar la tenacidad de un material, ya que al realizarlo obtenemos su resiliencia. El ensayo consiste en romper una probeta de sección cuadrangular de 10x10 mm a través de tres entalladuras que tiene situadas en distintas caras. El procedimiento se repite para cada entalladura. La resiliencia se obtiene de la media de los datos obtenidos en los tres pasos. El ensayo Izod difiere del ensayo de Charpy en la configuración de la probeta entallada.

Ensayos de impacto Tabla 2.3. Unidades de los ensayos de Charpy e Izod

Ensayo

Charpy Izod

S. Internacional

Joules (J) J / m

S. Inglés

Libra (lb) / pie Lb * pie / plg

Ensayos de impacto • Ensayo o Prueba de Izod. Ensayo o Prueba Charpy

Ensayos de impacto

Ensayos de impacto Fuente: Askeland, 1998.

Ensayos de impacto Propiedades obtenidas de los ensayos de impacto. • Temperatura de Transición: Es la temperatura a la cual un material

cambia de un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil. Esta temperatura puede definirse como la energía promedio entre las regiones dúctil y frágil, a una energía absorbida específica, o al tener ciertas características en la fractura.

• Sensibilidad a las muescas: Se evalúa comparando las energías

absorbidas por probetas con o sin muescas. Las energías absorbidas son muchos menores en probetas con muesca si dicho material es sensible a éstas.

• Relación con el diagrama esfuerzo – deformación.

Ensayos de impacto Uso de las Propiedades de impacto. • La energía absorbida y la temperatura de transición son muy

sensibles a las condiciones de carga.

• Una elevada rapidez en la aplicación de la energía a la muestra se reduce la temperatura absorbida y se incrementa la temperatura de transición.

• El tamaño de la muestra afecta los resultados, debido a que es más difícil que se deforme un material con mayor espesor.

• La configuración de las muescas afecta el comportamiento, un grieta en la superficie permite la absorción de menos energía que una muesca en V en el material.

Ensayos de impacto Uso de las Propiedades de impacto. • Como a menudo, NO es posible predecir o controlar todas estas

condiciones, el ensayo de impacto se utiliza para la comparación y selección de materiales.

ACTIVIDAD INVESTIGATIVA

FATIGA DE MATERIALES. Definición, inicio y propagación de grietas, velocidad de propagación, ecuaciones matemáticas relacionadas, factores que intervienen, diagrama de fatiga.

ENSAYO DE FATIGA. (investigar todo lo relacionado) APLICACIÓN EN LA INGENIERÍA NAVAL. Fecha de entrega: Miércoles 30 de Septiembre de 2015

Referencias Bibliográfica Askeland, D. (1998). Ciencias e Ingeniería de los Materiales. Editorial: International Thomson Editores. Ciudad de México, México. Avner, S. (1996). Introducción a la metalurgia física. Editorial: Mc-Graw Hill. Ciudad de México, México. Smith, W. (2006). Fundamentos de la Ciencias e Ingeniería de los Materiales. Editorial: Mc-Graw Hill. Ciudad de México, México.

¡¡¡GRACIAS POR SU ATENCIÓN!!! .