ensayo destructivo

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Unidad II

ENSAYOS DESTRUCTIVOS 1.

ENSAYOS DE DUREZA 1.1

CONCEPTOS A.

Resistencia a la abrasión 1. Frotamiento o rodadura. B. Resistencia al rayado. 1. Más utilizado en mineralogía 2. Escala MOHS: MENOS DURO = TALCO; MÁS DURO = DIAMANTE C. Resistencia al REBOTE. 1. Escleroscopio SHORE 2. Martinete con diamante en la punta. D. Resistencia a la penetración. 1. Material indentado o penetrado por otro. 2. Posibilita estimar la resistencia a la tracción. 1.2

ENSAYOS DE DUREZA POR PENETRACIÓN PENETRADOR FUERZA (P) TIEMPO (t)

HUELLA

ÍNDICE DE DUREZA Diámetro huella Profundidad huella

f(P, f ó d)

Penetrador

Fuerza

Huella: Diámetro profundidad

Tiempo

11

Índice de dureza

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1.3

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MÉTODO BRINELL Consiste en comprimir sobre la superficie del material a ensayar una bolilla de acero muy duro durante un cierto tiempo (t) produciendo una impresión con forma a casquete esférico. Resulta de dividir la carga aplicada por la superficie dada del casquete.

Figura 2.1

Constante de ensayo: la resistencia de penetración varia con la solicitación y el penetrador => la dureza estará en función de la carga de ensayo y el diámetro de la bolilla. P / D² = cte.

Figura 2.2

12

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Respecto a las cargas, tienen que ser proporcionales al cuadrado del diámetro, para que las huellas obtenidas sean semejantes, y los resultados, comparables. Es decir que P = K x D2 El coeficiente K empleado depende de la clase de material, siendo mayor para los materiales duro y menor para los materiales blandos. Para esto, los coeficientes elegidos han sido: Hierro y aceros..........................................K = 30 Cobre, bronces y latones........................... K = 10 Aleaciones ligeras......................................K = 5 Estaño y plomo..........................................K = 2,5 También se emplean aunque menos los coeficientes 1,25 y 0,5 para materiales muy blandos. CUADRO Nº1 DIÁMETRO DE LAS BOLAS Y PRESIONES EMPLEADAS EN EL ENSAYO BRINELL CONSTANTES DE ENSAYO K ESPESOR DE LA Diam. de la 30 10 5 2,5 1,25 bola mm

Superior a 6 mm De 6 a 3 mm Menor de 3 mm

30D2 3000 750 187,5 46,9 11,7

10 5 2,5 1,25 0,625

MATERIAL HIERRO Y ACERO COBRE, BRONCES Y LATONES ALEACIONES LIGERAS ESTAÑO Y PLOMO MATERIALES MUY BLANDOS

CARGAS EN Kg 10D2 5D2 2,5D2 1000 500 250 250 125 62,5 62,5 31,2 15,6 15,6 7,81 3,91 3,91 1,953 0,977

TIEMPO 10 a 30 seg 30 seg 60 a 120 seg 120 seg 120 seg

Como orientación damos la dureza Brinell de algunos materiales: Acero de herramientas templado ............500 Acero duro (0,8% de Carbono)...............210 Acero dulce (0,1% de Carbono)..............110

13

1,25D2 125 31,2 7,8 1,99 0,488

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Bronce .................................................100 Latón .................................................... 50 Aluminio ......................................... 25 a 30

CUADRO Nº2 FACTORES PARA EL CÁLCULO DE LA RESISTENCIA A LA TRACCIÓN PARTIENDO DE LA DUREZA BRINELL Acero al Carbono 0,36 Acero aleado 0,34 Cobre y latón 0,40 Bronce 0,23

Medición de la huella

Figura 2.3

14

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1.4

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MÉTODO ROCKWELL Se calcula la dureza en base a la profundidad de penetración y la carga total no se aplica en forma continua. Hay una carga inicial y otra adicional (varia según las condiciones de ensayo). El valor se obtiene en directa del dial del indicador. La dureza esta dada por el incremento de penetración debido a la acción de la carga adicional y una vez suprimida ésta. Se basa también en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados, en función de la profundidad de la huella. La máquina Rockwell aparece en 1924. Los penetradores pueden ser billas o diamantes aplicados con diferentes cargas según el material y su espesor. En total existen 21 escalas para 21 combinaciones de penetradores y cargas que se dan según el cuadro 3.

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Escala Desig.

A

Tipo de prueba

Normal

B

“

C

“

D

“

E

“

F

“

G

“

H

“

K

“

L

“

M

“

P

“

R

“

S

“

V

“

15-N

Superf.

30-N

“

45-N

“

15-T

“

30-T

“

45-T

“

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CUADRO Nº 3 ESCALAS DE DUREZA ROCKWELL (ESGUN AFRAIZ) Tipo y Carga Carga Escala del Aplicaciones tamaño del menor mayor comparador penetrador Kg. kg Color Colo cac. Cono de 10 60 negro fuera Aceros nitrurados, flejes estirados diamante en frío, hojas de afeitar. Carburos metálicos (90 a 98) Bola de 100 rojo dentro Aceros al Carbono recocidos de 1/16” “ bajo contenido de Carbono. Cono de “ 150 negro fuera Aceros duros. Dureza superior a diamante 100 HRb o 20 HRc Cono de “ 100 negro fuera Aceros cementados diamante Bola de 100 rojo dentro Materiales blandos, como 1/8” “ antifricción y piezas fundidas. Bola de 60 “ dentro Bronce recocido 1/16” “ Bola de 150 “ dentro Bronce fosforoso y otros metales. 1/16” “ Bola de 60 “ dentro Metales blandos, con poca 1/8” “ homogeneidad, fundición de hierro. Bola de 150 “ dentro Metales duros, con poca 1/8” “ homogeneidad, fundición de hierro. Bola de 60 “ dentro 1/4” “ “ Bola de 100 “ dentro 1/4” “ “ Bola de 150 “ dentro 1/4” “ “ Bola de 60 “ dentro Metales muy blandos 1/2” “ Bola de 100 “ dentro 1/2” “ “ Bola de 150 “ dentro 1/2” “ “ Cono de 3 15 “ dentro Aceros nitrurados, cementados y diamante de herramientas de gran dureza. Cono de “ 30 “ dentro diamante “ Cono de “ 45 “ dentro “ diamante Bola de 15 “ dentro Bronce, latón y acero blando. 1/16” “ Bola de 30 “ dentro 1/16” “ “ Bola de 45 “ dentro 1/16” “ “

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Escala Negra

Durómetro Universal Escala Roja Figura 2.4

17

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Existen 2 clases de máquinas: Para materiales gruesos........ escalas A, B, C, D, E, F, G, H, K, L, M, P, R, S y V. Para materiales finos............ escalas 15-N, 30-N, 45-N, 15T, 30-T, 45-T. Ambas maquinas llevan una escala con números negros para las mediciones con punta de diamante, y otra escala con números rojos para las mediciones realizadas con bolas. Las cargas se aplican en dos tiempos. En la máquina normal primero se aplica una carga de 10 Kg. Poniendo a continuación el indicador que mide la penetración a cero. Después se completa la carga hasta llegar a la total del ensayo. Si por ejemplo esta carga es 100 Kg., se deberá poner 90 Kg. más. Se quita después la carga adicional, o sea, los 90 Kg. del ejemplo, y la profundidad a que queda el cuerpo penetrante es la que se toma para calcular la dureza. El número de dureza se determina deduciendo de 100, si se ensaya con diamante, y 130, si se ensaya con bola, las unidades de penetración permanente medidas en 0,2 mm. No es necesario hacer ningún cálculo puesto que se lee directamente en la esfera del aparato. 10

50

3

10

10

1

2

100 8

0,2

7

9

0

Superficie de la pieza a ensayar 6

Pto. de partida de la medicion

100

0,2

8 (e) 7

9 (HRc)

0

Figura 2.5

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1.5

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ESQUEMA DE LOS ENSAYOS ROCWELL A Y C Nº 1 2 3 4 5

Po P1 P

6 7 8

e

9

HR

ROCKWELL A ROCKWELL C Ángulo de la punta del diamante = Ángulo de la punta del diamante = 120º 120º Radio de redondeo de la punta del Radio de redondeo de la punta del cono = 0,2 mm cono = 0,2 mm Carga previa = 10 Kg. Carga previa = 10 Kg. Carga adicional = 50 Kg. Carga adicional = 140 Kg. Carga total = 60 Kg. (P = Po + Carga total = 150 Kg. (P = Po + P1) P1) Penetración de la carga previa ( Penetración de la carga previa ( punto punto de partida de la medición) de partida de la medición) Penetración total actuando la carga Penetración total actuando la carga adicional adicional Penetración permanente después de Penetración permanente después de quitar la carga adicional quitar la carga adicional Dureza rockwell A = 100 - e (HRa) Dureza rockwell C= 100 - e (HRc)

Figura 2.6

Figura 2.7 Durómetro Universal En esta nueva tecnología para ensayo de dureza es importante destacar la facilidad en la realización de un análisis estadístico y para los casos de Brinell y Vickers la máquina ejecuta la fórmula haciendo rápida la toma de datos.

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1.6

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MÉTODO VICKERS Se deriva directamente del método Brinell, fue introducido en 1925 y se emplea mucho sobre todo para piezas delgadas y templadas, con espesores mínimos hasta de 0,2 mm. Si P es la carga aplicada, y S la superficie de la huella, la dureza Vickers será: HV = P / S Obteniéndose finalmente: HV = 1,854 P/d2 Es semejante a la de Brinell o sea su valor depende de la carga aplicada y de la superficie de la impronta o huella. Las cargas varían de 1 a 120 kgf y el penetrador es una punta de diamante con forma piramidal.

Figura 2.8

Las más comunes son 30 y 50 kgf (Hv30 y HV50)

20

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APLICACIONES DE DIVERSOS PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO DE DUREZA

Acero para tornos Figura 2.8 Ensayo de Dureza Brinell

Hierro Fundido GG 30

Aplicación para la determinación de materiales blandos y semiduros, tales como metales ligeros, metales pesados no férreos, fundición y acero recocido y bonificado

Acero Bonificado C45 Latón Cobre Aluminio

Dureza Brinell HB

Acero rápido Figura 2.9 Ensayo de Dureza Rockwell

Acero cementación Acero de Cementación (sin tratar)

Aplicación al ensayo de materiales duros como el acero templado

Acero de Herramientas (después de templar) Acero de Herramientas (sin tratar) Dureza Rockwell C HRC

21

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Cerámica de Corte Figura 2.10 Ensayo de Dureza Vickers

Metal Duro

Aplicación al ensayo de materiales semiduros y duros como superficies templadas, materiales de estructura uniforme

Acero de Nitruración

Dureza Vickers HV

2.

ENSAYO DE TRACCIÓN Este ensayo nos permite determinar la curva esfuerzo - deformación de cada material donde podremos determinar sus características plásticas, elásticas y de tensión que pueda soportar el material. El ensayo de tracción se realiza sobre una barra confeccionada con el material que se desea ensayar. Con el objeto que en cada ensayo se obtengan resultados comparables, las dimensiones de las probetas han sido normalizadas. La relación entre la longitud de medición y el diámetro es de:

L/D = 5:1 ; y L/D = 10:1

Figura 2.11

En el caso de probetas rectangulares, para que exista la misma relación entre la longitud de medida y la superficie de la sección transversal, las probetas deben ser proporcionales. La curva del ejemplo, nos muestra nos muestra el comportamiento de un acero de medio carbono que es cargado lentamente en tracción.

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Al empezar el ensayo, las cargas aumentan proporcionalmente con el alargamiento, hasta el pto. P, el cual es llamado limite de proporcionalidad. Desde aquí, al aumentar la carga, el alargamiento se hace más rápidamente hasta el pto. E llamado límite elástico, donde el acero recobra su longitud primitiva si se suprime la carga. Pasado este punto el material exhibe deformación plástica cuya naturaleza inicial varia con los materiales. El paso del intervalo plástico al elástico puede ser discontinuo (como en el acero de construcción) o continuo (como en el Fe fdo., acero aleado y metales no férricos). En el límite de alargamiento o de fluencia (s) el material fluye, es decir se alarga sin elevación de carga hasta que la estructura se haya consolidado. Si se aumenta la carga por encima de este límite de fluencia, se produce un alargamiento que progresa rápidamente hasta el límite de tracción (B). Este Figura 2.12 límite nos da el max. valor de tensión hasta el cual se puede cargar al material y se denomina Resistencia a la tracción del material. El límite elástico y la resistencia a la tracción mayoría de los cálculos de resistencia.

constituyen los fundamentos de la

Después de sobrepasar el límite de tracción (B), la tensión referida a la sección recta primitiva disminuye. En el sitio por donde rompe la barra se produce un estrechamiento con lo que su sección transversal disminuye fuertemente. La barra se sigue alargando sin aumento de carga hasta que finalmente rompe en el pto. Z llamado limite de rotura. El pto. Z proyectado sobre el eje de las abscisas del diagrama nos da el alargamiento de rotura ( ) en % de la long. primitiva de medición (Lo).

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Para los materiales que no poseen un limite de alargamiento (s) claramente definido (como en el acero duro, el cobre, el cinc) es decir, su curva mantiene una marcha continua sin inflexión alguna, se considera como el limite 0,2 como el limite de alargamiento. Este es el pto. para el que se produce un alargamiento permanente del 0,2 % respecto a su long. inicial Lo. Se determina mediante una paralela al trazo recto de la curva en su parte inicial. En las probetas se hacen dos marcas entre las cuales se mide la long. que se denomina calibrada.

Figura 2.13

Para que los resultados de los ensayos sean comparables, las probetas deben ser geométricamente semejantes, solo así, bajo las mismas cargas se obtendrán deformaciones proporcionales.

Es decir si L es la long. de la parte calibrada y S la sección constante, se deberá cumplir: L=K S La probeta normal DIN tiene un diámetro de 20 mm, una sección de 314 mm2 y una longitud entre ptos. de 200 mm. O sea L = 10d El coef. K sera igual a: K = 200 = 10,3 314 Los ensayos de tracción, compresión y flexión se realizan con una maquina universal Amsler o similar, cuyo embolo movido hidráulicamente produce tracciones, compresiones y flexiones aplicando cargas deseadas a la probeta colocada y sujeta en la maquina por medio de mordazas adecuadas.

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2.1

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ENSAYOS DE TRACCIÓN EN EL CAMPO ELÁSTICO Cuando una barra se somete a un esfuerzo de tracción, sufre un alargamiento cuya relación de proporcionalidad queda definido por el modulo de Young o modulo de elasticidad. E=P/S=l/l Ej. Una probeta de sección de 150 mm2 y de long. entre puntos de 100 mm, es sometida a un esfuerzo de tracción lento y progresivo que le produce una deformación elástica de 0,1 mm cuando el esfuerzo de tracción total es de 3.000 Kg. El modulo elástico será: E = 3.000: 150 = 20.000 0,1 : 100 El modulo de Young es aprox. 20.000 para todos los aceros, cualquiera que sea su composición y estructura, no siendo las variaciones superiores a 10%. y se siguen incrementando las tensiones a la probeta, llega un momento en que en que los alargamientos dejan de ser proporcionales a la carga aplicada. Hay un punto en el que pareciera que hay desconección molecular y con incrementos de carga más pequeños se producen alargamientos mayores.

2.2

LÍMITE DE ELASTICIDAD En la practica es muy difícil determinar este limite, así es que se acepta como limite elástico el valor de carga que rebasa ligeramente la elasticidad produciendo una deformación perfectamente medible. En general se emplea el limite elástico 0,2, que se expresa como E0,2 , y es la tensión que produce una deformación permanente el 0,2 % de la long. inicial. El limite elástico tiene una gran importancia en los proyectos mecánicos, no solo para el calculo e muelles, que son los elementos elásticos por excelencia, sino para el calculo de toda clase de elementos, aparatos maquinas y estructuras, pues se ha de tener en cuenta que las piezas se dimensionan bajo el limite de elasticidad, ya que no interesa que adquieran deformaciones permanentes.

2.3

ENSAYOS DE TRACCIÓN EN EL CAMPO PLÁSTICO A partir del punto fs, que es límite superior de fluencia, los alargamientos aumentan sin necesidad de aumentar la carga hasta un pto. fi denominado limite inferior de fluencia. A partir de este pto. vuelve a ser necesario aumentar la carga durante un periodo que se conoce por el nombre de periodo de fortalecimiento, hasta alcanzar un valor max. de tensión R, que se denomina tensión de rotura, aunque la rotura no se produzca en este punto sino después de un periodo durante el cual la probeta se estira rápidamente, reduciéndose

25

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sensiblemente su sección hasta que se produce la rotura bajo un esfuerzo menor que la tensión antes citada. 2.4

ALARGAMIENTO El ensayo de tracción para la determinación del alargamiento se realiza aumentando aprox. la tensión en 1 Kg/mm2 por segundo, de manera que se produzcan alargamientos máximos de 0,3 % por minuto en el periodo elástico. En el periodo plástico, la velocidad de aumento de carga no será superior a la que produzca una deformación por minuto igual al 25 % de la distancia entre puntos. Si no interesa hallar el limite de elasticidad, puede mantenerse esta misma velocidad durante todo el ensayo. Una vez rota la probeta, se unen las dos partes y se mide la distancia entre marcas. El alargamiento es: A = L1 - L0 x 100 L0 Siendo L0 la longitud inicial o distancia entre marcas de la probeta y L1, su longitud final El alargamiento será tanto menor cuanto mas cerca se halle de los extremos, es por esto que la formula anterior solo es aplicable cuando la rotura se produzca en el tercio central e la probeta. Pueden sin embargo utilizarse todos los ensayos de alargamiento aunque se rompan fuera del tercio central según: A = l’ + l’’ + l’’’ - L0 x 100 L0 Donde: l’ = l’’= l’’’=

A la distancia de la sección de rotura a la ultima marca mas cercana A la distancia de la sección de rotura a la marca numero 10, hacia el extremo opuesto de la marca anterior. A la long. d un numero de marcas igual a las que halla e la 10 al final de la probeta pero medidas en sentido contrario.

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l'''

3

2

1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10

1

2

3

4

l''

l'

l = l' + l'' + l''' - Lo

Figura 2.14

2.5

ESTRICCIÓN Es la disminución de la sección en la fractura de una probeta rota por alargamiento. Se expresa en % de sección inicial o sea:  = S0 - S1 x 100 S0 Siendo S0 la sección inicial y S1 la sección de rotura. Cuando los materiales son poco dúctiles o cuando sus estructuras están bajo tensión, la rotura se produce bruscamente después de la deformación elástica sin deformación aparente de la sección. Si el material es dúctil, la probeta disminuye sensiblemente en las proximidades de la sección de rotura. La fórmula de estricción pueda quedar definida también por:  = S0 - S1 x 100 = D02 - D12 x 100 S0 D02 Siendo D0 el diámetro inicial y D1 el diámetro de la sección rota.

2.6

RESISTENCIA A LA ROTURA La resistencia a la rotura no es una propiedad sino el resultado de un ensayo que da la tensión o carga necesaria por unidad de sección para producir la rotura del metal ensayado. Se valora en Kg/cm2 o en Kg/mm2 La rotura de un material puede producirse por tracción, compresión, torsión o cizallamiento, habrá una resistencia a la rotura por tracción, compresión,

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torsión y cizallamiento. Si denominamos R a la resistencia a la rotura del material tenemos que: R=E+P Donde E es el limite elástico del material y P la carga que es preciso suplementar en la zona plástica a E para producir la rotura del materia. A veces conviene que los metales tengan una zona plástica de reserva, cuya carga P pueda absorber sobrecargas accidentales que deformaran al metal pero no llegaran a romperlo sino rebasan la carga P. Los parachoques de los automóviles son, en general, de acero y los pequeños golpes los encajan sin deformarse permanentemente, porque no rebasan su límite elástico. Pero si un automóvil choca violentamente contra un árbol, el parachoques se deforma, pero en general, no se rompe, porque absorbe en su zona plástica la sobrecarga accidental.

Figura 2.15

3.

ENSAYO DE IMPACTO Este ensayo consiste en romper de un solo golpe con la ayuda de una maquina especial cuyo martillo se mueve en trayectoria pendular, una probeta de dimensiones determinadas con una entalladura para facilitar la rotura.

28

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A la energía consumida en la rotura de la probeta se le denomina resiliencia y se designa con las letras  o K, y se calcula de la siguiente forma:

 = T/S T = P x (h - h) = P x l (cos cos ) Siendo S = la sección de la probeta. l = Long. del péndulo P = Peso del martillo 16 30°

R2

3 2

5

55

40

Figura 2.16

En elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de las cargas, las que pueden aparecer circunstancialmente, su falla se produce generalmente, al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad, aun en aquellos metales considerados como dúctiles. En estos casos es conveniente analizar el comportamiento del material en experiencias de choque o impacto. Resumiendo diremos que el objeto del ensayo de choque es el de comprobar si una maquina o estructura fallará por fragilidad bajo las condiciones que le impone su empleo, muy especialmente cuando las piezas experimentan concentración de tensiones, por cambios bruscos de sección, maquinados incorrectos, fileteados, etcétera, o bien verificar el correcto tratamiento térmico del material ensayado.

3.1

MÉTODO DE ENSAYO Los ensayos dinámicos de choque se realizan generalmente en máquinas denominadas péndulos o martillo pendulares, en las que se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura determinada, realizándose la experiencia en la mayoría de los casos, de dos maneras distintas el método Izod y el método

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Charpy. En ambos casos la rotura se produce por flexionamiento de la probeta, por lo que se los denomina flexión por choque. 3.2

FLEXIÓN POR CHOQUE SOBRE BARRAS SIMPLEMENTE APOYADAS (MÉTODO CHARPY) Con la finalidad de que el material esté actuando en las más severas condiciones, el método Charpy utiliza probetas ensayadas (estado triaxial de tensiones) y velocidades de deformación de 4,5 a 7m/s, entorno recomendado por las normas el de 5 a 5,5m/s. Las probetas se colocan, como muestra la figura siguiente, simplemente apoyadas sobre la mesa de máquina y en forma tal que la entalladura se encuentra del lado opuesto al que va a recibir el impacto. En la misma figura se puede observar la correcta posición del material como así también la forma y dimensiones de los apoyos y de la pena del martillo pendular.

Figura 2.17 Figura 2.18 Probeta CHARPY lista para ensayar

Las I.R.A.M aconsejan realizar el ensayo de choque por el método Charpy, con el empleo de probetas entalladas aprobadas por I.S.O. (Internacional Standard Organización, ex I.S.A).

Figura 2.19

30

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La resiliencia al choque resulta, según este método, el trabajo gastado por unidad de sección transversal para romper al material de un solo golpe: Resistencia =K = Ao/S (Kgf/cm² o Joule/cm²)

3.3

FLEXIÓN POR CHOQUE DE BARRAS EMPOTRADAS (MÉTODO IZOD)

Figura 2.21 Probeta IZOD lista para ensayar Figura 2.20

En el método Izod la probeta se coloca en voladizo y en posición vertical, siendo asegurada por la mesa de apoyo de modo tal que la entalladura quede en el plano de las mordazas; en estas condiciones el extremo del martillo golpea al material a 22mm de las mismas, como indica la figura anterior, pudiendo realizarse más de un ensayo sobre la misma probeta, también puede construirse de sección circular, que presenta la ventaja de que permite determinar la energía de rotura sobre caras o generatrices opuestas y a diferentes profundidades de la muestra. 3.4

MÁQUINA DE ENSAYO - PÉNDULO SATEC El péndulo Baldwin de la casa SATEC Systems (USA permite realizar ensayos de flexión por choque según los métodos de Charpy e Izod y tracción por choque, con dos posiciones del martillo para alcances de 325,4 Joule (33,81 Kgfm) o bien 135,6 Joule (13,825 Kgfm), según los métodos. La apreciación de la lectura de energía absorbida por la probeta resulta de 2 Joule/div. y de 1Kgfm/div, según el sistema de medida.

Figura 2.22

31

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El martillo se sujeta en la posición de ensayo, según la energía requerida, mediante una palanca que al destrabarse lo deja en libertar al impacto. La misma palanca permite accionar un sistema de freno a cinta para detener al golpeador una vez alcanzada la rotura. La energía de ensayo será la necesaria para producir la fractura del material en un solo golpe y quedará indicada, en el cuadrante del péndulo, por una aguja arrastrada por otra fija solidaria al eje del golpeador.

4.

ENSAYO DE CHOQUE DE LAS PROBETAS EN ESTUDIO En cada uno de los ensayos se obtendrá el valor de energía directamente de la máquina en Kgm (A), Para el método Charpy calcularemos la resilencia (K) que es el trabajo por unidad de sección transversal. Ensayos en probetas SAE 1015 Método Charpy Probeta 1 entalla en V => A = 7,15 Kgm K = A/S => k = 7,15 Kgm/0,8 cm² = 8,94 Kgm/cm² Probeta 2 entalla ojo de cerradura => A = 8,2 Kgm K = 8,2 Kgm/0,5 cm² = 16,4 Kgm/cm² Método IZOD Probeta 3 => A = 16 Kgm Probeta 4 => En ensayo fracasó Ensayos en probetas SAE 1045 Método Charpa Probeta 1 entalla en

V => A = 2 Kgm K = 2 Kgm/0,8 cm² = 2,5 Kgm/cm²

Probeta 2 ojo de cerradura => A = 3,4 Kgm K = 3,4 Kgm/0,5 cm² = 6,8 Kgm/cm² Método IZOD Probeta 3 => A = 2 Kgm Probeta 4 => A = 2 kgm

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5.

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FATIGA En el estudio de los materiales en servicio, como componentes de órganos de máquinas o estructuras, debe tenerse en cuenta que las solicitaciones predominantes a que generalmente están sometidos no resultan estáticas ni cuasi estáticas, muy por lo contrario en la mayoría de los casos se encuentran afectados a cambios de tensiones, ya sean de tracción, compresión, flexión o torsión, que se repiten sistemáticamente y que producen la rotura del material para valores de la misma considerablemente menores que las calculadas en ensayos estáticos. Este tipo de rotura que necesariamente se produce en el tiempo, se denomina de fatiga aunque es común identificarla como:

roturas por tensiones repetidas, individualmente o combinadas. 5.1

tensiones

que

pueden

actuar

CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE FATIGA En general los ensayos de fatiga se clasifican por el espectro de carga- tiempo, pudiendo presentarse como:  Ensayos de fatiga de amplitud constante  Ensayos de fatiga de amplitud variable 5.1.1

ENSAYOS DE FATIGA DE AMPLITUD CONSTANTE Los ensayos de amplitud constante evalúan el comportamiento a la fatiga mediante ciclos predeterminados de carga o deformación, generalmente senoidales o triangulares, de amplitud y frecuencia constantes. Son de ampliación en ensayos de bajo como de alto número de ciclos, ponderan la capacidad de supervivencia o vida a la fatiga por el número de ciclos hasta la rotura (inicio y propagación de la falla) y la resistencia a la fatiga por la amplitud de la tensión para un número de ciclos de rotura predeterminado. Es usual denominar como resistencia a la fatiga a la máxima tensión bajo la cual el material no rompe o aquella que corresponde a un número preestablecido de ciclos según los metales o aleaciones. A este respecto la norma ASTM E define como limite de fatiga a la tensión que corresponde a un número muy elevado de ciclos.

5.1.2

ENSAYO DE FATIGA DE AMPLITUD VARIABLE En fatiga, cuando la amplitud del ciclo es variable, se evalúa el efecto del daño acumulado debido a la variación de la amplitud del esfuerzo en el tiempo. Son ensayos de alto número de ciclos con control de

33

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carga, que según el espectro de carga elegido serán más o menos representativos de las condiciones de servicio. 5.2

FATIGA DE ALTO NÚMERO DE CICLOS Los espectros carga - tiempo de los ensayos de amplitud constante surgen de semejar el ciclo de carga a funciones continuas simples, normalmente senoidales. En general cualquiera que resulte el ciclo del esfuerzo aplicado podrá considerárselo como resultante de uno constante o estático, igual al valor medio de la carga (m), y de otro variable de amplitud constante (a) senoidal puro.

b

a

c

d Figura 2.23

Los parámetros que definen o identifican al ciclo, resultan: Tensión media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Amplitud de tensión o alternancia . . . . . Relación de amplitud o de tensiones. . . . Según el dibujo anterior se denominan: a y b) Alternados: Se generan cuando las tensiones cambian de signo alternativamente. El caso más común y simple, es aquel en que la tensión máxima positiva es igual a la mínima, obteniéndose un ciclo denominado alternado simétrico, figura a.

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Cuando las tensiones se presentan de distinto signo y valor, figura b, el ciclo será alternado asimétrico. c) Intermitentes: Los esfuerzos tienen siempre el mismo sentido y su ciclo va desde cero a un valor determinado, que puede ser positivo o negativo, para ciclos positivos se tiene; figura c. d) Pulsatorios: Tienen lugar cuando la tensión varía de un máximo a un mínimo, distinto de cero, den tro del mismo signo; figura d. A los efectos de diferenciar los ciclos adoptaremos como positivas a las tensiones de tracción y negativas a las de compresión, fijándose para torsión un sentido arbitrario ya sea positivo o negativo. Cualquiera que resulte el ciclo adoptado la frecuencia deberá permanecer constante y sin entrar a analizar la influencia de las propiedades mecánicas, podemos subdividir los ensayos en función de su valor en: Baja frecuencia Media frecuencia Alta frecuencia Muy alta frecuencia

f < 5 Hz 5 < f < 30 Hz 30 < f < 150 Hz f > 150 Hz

Siendo los más utilizados los rangos de media y alta frecuencia, con el fin de disminuir los tiempos de ensayo. 5.3

ORIGEN DE LA ROTURA POR FATIGA EN LOS METALES Aunque no se ha encontrado una repuesta total al fenómeno de rotura por fatiga, que podríamos llamar “prematura”, cuando se somete a un metal a tensiones cíclicas o vibratorias, y son varias las teorías que tienden a ello, se puede aceptar que la fractura por fatiga se debe a deformaciones plásticas de la estructura, en forma análoga (iguales planos y direcciones cristalográficas), que en los casos vistos para deformaciones monodireccionales producidas por cargas estáticas, a diferencia que bajo tensiones repetidas en algunos cristales se generan deformaciones residuales. Estas bandas de deslizamiento, que aparecen aún bajo pequeñas cargas, se acrecientan con los ciclos, de manera que al llegar a la saturación de los granos afectados, la distorsión de la red provocará el inicio de la fisura. Con más precisión podemos decir que las deformaciones de fatiga se engendran preferentemente en granos próximos a la superficie del metal, separados tan solo por algunos espacios atómicos, produciendo los efectos conocidos como extrusión e intrusión. En general y por el efecto de la intrusión

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la tracción acelera la propagación de la grieta, en cambio la compresión la retarda. El inicio de la rotura por fatiga puede producirse, además que por los hechos explicados, por deficiencias en el material debidas a defectos estructurales (inclusiones, sopladuras, etc.) por discontinuidades de las superficies que provocan el efecto de forma (orificios, roscas, chaveteros, cambios de sección, maquinados incorrectos, etc.) y por el tratamiento o estado de las superficies (el endurecimiento mejora la resistencia en cambio la corrosión la disminuye considerablemente). 5.4

MÁQUINA UNIVERSAL MTS SERVOHIDRAULICA En nuestra investigación utilizaremos la máquina universal MTS, que es de accionamiento hidráulico servocontrolado o sistema realimentado, que le permite realizar no solo los ensayos estáticos standard sino también los dinámicos de fatiga, de duración (creep) y cubrir los nuevos estudios sobre fractomecánica y relajación de tensiones. Un sistema como el descrito está básicamente constituido por una bomba, la servoválvula y el actuador (pistón) del circuito hidráulico, la unidad de medición y la de corrección de error, formando en conjunto un ciclo cerrado de operaciones. En nuestro caso el ciclo se cierra a través de la probeta de ensayo.

Figura 2.24

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