Ensayos y Analisis de Materiales Para Ingenieria

ALFREDO E. MORALES

ENSAYOS Y ANALISIS DE MATERIALES PARA INGENIERIA (TEORIA Y PRACTICAS)

EDITORIAL GLOBUS

Prof. Alfredo Morales

Laboratorio de Materiales UNIVERSIDAD DEL ZULIA Estado Zulia . Venezuela

ENSAYOS Y ANALISIS DE MATERIALES PARA INGENIERIA

Editorial GLOBUS Global Bussines

PROLOGO

Se ha preparado este curso para todos aquellos estudiantes de ingeniería que se encuentren ligados al análisis y estudios de los materiales, sea que estén fuera o dentro de un salón de clase, y para todos aquellos que deseen tener una mejor comprensión del comportamiento de los materiales durante su selección y utilización. Se estudian los diversos tipos de ensayos que les pueden aplicar a los materiales metálicos ferrosos o no ferrosos, así como sus diferentes técnicas y/o métodos a ser aplicados, tomando en cuenta las Normas Internacionales, quienes establecen las condiciones predeterminadas en el análisis e interpretación de los resultados a ser obtenidos en cada uno de los ensayos. El material contiene descrito cada uno de los procedimientos a ser aplicados para los ensayos, los cuales pueden tomarse como regla general al momento de realizar estos tipos de ensayos, bien sea a nivel de laboratorio, como a nivel laboral; ya que en las industrias se manejan las mismas técnicas y procedimientos. Deseo expresar mi agradecimiento a la AMERICAN SOCIETY FOR METALS (ASM), a la AMERICAN SOCIETY TESTING MATERIALS (ASTM), a la AMERICAN SOCIETY OF NDT y a muchas otras instituciones que me permitieron utilizar con toda libertad sus materiales como parte de este libro de texto; así como a las diversas empresas en el ramo metalúrgico quienes permitieron la utilización de sus equipos de laboratorio para realizar pruebas para la conformación verídica de los diversos ensayos a ser aplicados. Agradecemos el que todos los usuarios de esta obra, tanto estudiantes como instructores, me enviaran vía emails sus comentarios y sugerencias sobre la forma de mejorar las futuras ediciones.

Capitulo

1 Fu n d am en to s G en er ales d e Lo s En say o s Todo lo que nos rodea esta estructurado por átomos, que en conjunto conforman los diversos tipos de materiales; y que debido a la forma en que se distribuyen o se organizan estos átomos, los materiales establecen ciertos comportamientos mecánicos, químicos, entre otros. Estos materiales proporcionan beneficios a la humanidad, siempre y cuando hayan sido creados para cumplir un fin especifico. Es por ello que en la medida que se crean o se analizan estos materiales, se hace necesario la implementación de ciertas técnicas que contribuyen a determinar los comportamientos homogéneos o heterogéneos que presentan, en un momento determinado. A esta serie de técnicas o procedimientos, se les conoce con el nombre de “Ensayos”, y la interpretación de los resultados obtenidos en dichos ensayos, se denominan “análisis”. Los ensayos pueden definirse, como la implementación de técnicas y procedimientos, a fin de caracterizar, describir y analizar un contexto, una literatura o un acontecimiento científico. Es por ello que los ensayos se clasifican en; Literarios, Expresivos y Científicos. Para nuestro caso en el desarrollo de este libro, estaremos aplicando los ensayos científicos y muy específicamente, los ensayos de materiales.

1.1.

GENERALIDADES

Cuando un técnico proyecta una estructura metálica, diseña una herramienta o una máquina, define las calidades y prestaciones que tienen que tener los materiales constituyentes. Como hay muchos tipos de aceros diferentes y, además, se pueden variar sus prestaciones con tratamientos térmicos, se establecen una serie de ensayos mecánicos y no mecánicos para verificar principalmente la resistencia a los diferentes esfuerzos que pueda estar sometido o la presencia de grietas internas en el material. Los Ensayos de Materiales están presentes en los proyectos, en el control de tensiones en máquinas y estructuras, en la detección de fallas, en el estudio de las estructuras cristalográficas de los metales y en la determinación de las causas que provocan la rotura de los materiales en servicio. Se denomina Ensayos de Materiales a toda prueba cuyo fin es determinar las propiedades mecánicas de un material. Los ensayos en materiales pueden ser de dos tipos, Ensayos destructivos o Ensayos no destructivos; estos últimos muy importantes en los controles de calidad (es demasiado caro romper para comprobar un número de veces que asegure que se cumple los estándares). Los Ensayos Destructivos típicos son el ensayo a tracción del que se obtiene la curva de comportamiento del material, el de compresión, el ensayo de torsión, para caracterizar mecánicamente el solido, los ensayos Metalográficos, para caracterizar microestructuralmente los materiales. Los Ensayos no destructivos típicos son los ultrasonidos, para encontrar grietas profundas, el ensayo con corrientes, para medir a través de las corrientes inducidas el espesor de la pintura en una superficie, el de campo magnético, que permite a simple vista encontrar grietas superficiales muy pequeñas, el ensayo de dureza, entre otros. Los Ensayos en la actualidad se encuentran Normalizados (Son dependientes de normas y reglas nacionales e internacionales); y tienen por objetivo conocer o comprobar las características y propiedades de los materiales o descubrir defectos en las piezas fabricadas. Los ensayos se han hecho indispensables en la industria moderna, realizándose sistemáticamente para controlar la calidad de la producción y para la recepción de materiales provenientes de proveedores, para verificar la calidad de los mismos. Sin embargo, para nuestro caso, los ensayos también nos sirven para comprobar y estudiar a profundidad las diversas propiedades de los materiales que se fabrican o que se crean mediante la combinación de dos o mas materiales o compuestos, o por la combinación de dos o mas elementos químicos. 1.2.

CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS

La clasificación de los ensayos se genera dependiendo de los diferentes tipos de materiales a ser estudiados los materiales y aleaciones se caracterizan mediante cuatro categorías: a) Por su composición Química. - Cristalina b) Por sus Estructuras - Micrográfica - Micrográfica c) Por las temperaturas a las que tiene lugar d) Por su Constitución

- Su Fusión o Solidificación - Sus Transformaciones Alotrópicas Por tanto, para conocer y comprobar las características de los materiales y aleaciones será necesario realizar ensayos para determinar su composición, sus estructuras, su temperatura de fusión y puntos críticos y su constitución. Al conjunto de estos ensayos se denominan ensayos de características.

El conocimiento de las características metalográficas determinada por los ensayos anteriores permite prever el comportamiento de los metales y aleaciones en su utilización industrial; pero interesa valorar exactamente sus propiedades, sobre todo las mecánicas, que son las de mas interés industrial, como son la elasticidad, plasticidad, tenacidad, etc. Para esto se han desarrollados ensayos adecuados, que se designaran con el nombre de Ensayos de Propiedades Mecánicas. Interesa también, en muchas ocasiones, comprobar la actitud para la conformación a que se van a someter los materiales en los procesos de fabricación de piezas, y para esto se han desarrollado los Ensayos de conformación o Tecnológicos., entre los que se encuentran los Ensayos de Embutición, forja, etc. Un vez que los metales han sido elaborados en lingotes y fabricadas las piezas, es necesario comprobar que carecen de fallas que pudieran malograr sus propiedades, mediante ensayos que se designaran con el nombre de Ensayos de Defectos. Como los ensayos de propiedades producen, en general, la rotura, o por lo menos, dañan las probetas o piezas de muestra, también se denominan Ensayos Destructivos. En cambio, los ensayos de defectos, como se experimentan en piezas útiles, cuyo buen estado se requiere comprobar, son de tal naturaleza que no dejan huellas y por eso se pueden denominar también Ensayos no Destructivos. Resumiendo lo antes expuesto, los ensayos pueden clasificarse en los siguientes grupos: A) ENSAYOS DE CARACTERISTICAS I.

De Composición

II.

De Estructura

III.

Análisis Térmico

IV.

De Constitución.

- Cristalina - Micrográfica (Estudia el Grano) - Micrográfica (Estudia la Fibra) -

De temperatura de fusión y Solidificación

-

De temperatura de transformación (Puntos Críticos)

B) ENSAYOS DE PROPIEDADES MECANICAS (DESTRUCTIVOS)

I.

Estáticos

-

Dureza Tracción en Fríos y en Caliente Fluencia Compresión Pandeo Flexión Estática Torsión

II.

Dinámicos

- Resistencia al Choque - Desgaste - Fatiga

C) ENSAYOS DE CONFORMACIÓN (TECNOLOGICOS)     

Doblado Embutición Forja Corte Punzonado

D) ENSAYOS DE DEFECTOS (NO DESTRUCTIVOS)

1.3.



Métodos Superficiales

     

Magneto – Acústicos Electro- Magnéticos Sónicos Pruebas Ultrasónicas Por Rayos X Por Rayos Gamma

-

Partículas Magnéticas

-

Líquidos Penetrantes

ENSAYOS DE COMPOSICIÓN Los ensayos de composición tiene por objeto determinar la composición química de las aleaciones y las impurezas de los metales. El procedimiento mas exacto para determinar la composición química de cualquier material es el análisis químico; el cual consiste en un conjunto de técnicas y procedimientos empleados para cuantificar la composición química de una sustancia. Los análisis químicos pueden ser: Cualitativos y Cuantitativos. En un análisis cualitativos se pretende identificar las sustancias de una muestra. En el análisis cuantitativo lo que se busca es determinar la cantidad o concentración en que se encuentra una sustancia especifica en una muestra.

Fig. 1 Con los análisis químicos se pueden determinar

composición química de las de aleaciones y las suele basarse en una reacción química del componente, que Unla análisis químico efectivo una muestra impurezas una de los metales. produce cualidad fácilmente identificable, como el color, calor o insolubilidad. Los análisis gravimétricos basados en la medición de la masa de precipitados del componente, y los análisis volumétricos, que dependen de la medición de volúmenes de disoluciones que reaccionan con el componente, se conocen como “método por vía húmeda” y resulta mas laborioso y menos versátiles que los métodos mas modernos.

Los análisis químicos son lentos, costos y requieren de personal especializado, es por ello que se han desarrollado ensayos adaptados especialmente a la industria, de fácil aplicación e interpretación de sus resultados. A esta clase de ensayos pertenecen los análisis fotocolorimetricos, los espectrograficos y los ensayos por chispas. Análisis Fotocolorimetricos. Este análisis constituye en realidad una análisis cuantitativo simplificado. Fundamentalmente consiste en examinar soluciones de los metales obtenidos con reactivos especiales que adquieren una intensidad de color determinada para cada grado de concentración de los metales. La medida de la transparencia de la solución, realizada por medio de una célula fotoeléctrica, de la concentración del metal disuelto y, por tanto, el porcentaje de metal analizado. Análisis Espectrograficos. Es un análisis cualitativo. Se opera poniendo en incandescencia el material a ensayar, por medio de una fuerte fuente de calor, como, por ejemplo, un arco voltaico. La luz emitida por el material incandescente se descompone por medio de un prisma y el espectro obtenido queda registrado en una placa fotográfica.

Fig. 2 . Espectrómetro de emisión, diseñado especialmente para el análisis de metales; se puede analizar los siguientes elementos: cobre, hierro, plomo, estaño, aluminio, silicio, zinc, plata, sodio, magnesio, etc.

Cada línea del espectro corresponde a un elemento químico determinado que se identifica superponiendo la placa a un espectrograma transparente en el que están registradas las líneas correspondientes a los diferentes elementos químicos. Ensayos por Chispa de los Aceros. Al atacar una pieza de acero por una muela de esmeril girando a gran velocidad, arranca partículas de acero que son proyectadas tangencialmente por la periferia de la muela. Como al mismo tiempo que tiene lugar este arranque, se produce un fuerte calentamiento local, las partículas se desprenden a altas temperaturas, que las pone incandescentes, produciendo rayos luminosos, chispas, explosiones, estrellas, arborescencias luminosas, etc. Cada tipo de acero produce una serie de chispas características, mediante la observación de las cuales, y con practica, pueden identificarse determinados tipos de aceros y con mucha practica, dar el porcentaje casi exacto de carbono. 1.4.

Fig. 3. Formas de Chispas de los aceros

Fig. 4. Equipos que generan chispa sin destruir el material

ENSAYOS DE ESTRUCTURAS

Aunque los metales en bruto no tengan, en general, una forma exterior definida, tiene los átomos perfectamente ordenados, en formas geométricas, y a esto deben una gran parte de sus características metálicas. A esta ordenación o arquitectura interna se denomina estructura, formada en realidad por tres estructuras superpuestas: la Estructura Cristalina, la Estructura Granular y la Estructura Macrográfica. 5. Estructura Cristalina tipo Cubica La estructura cristalina tiene como elemento fundamentalFig.el cristal, cuyas dimensiones son del orden de las magnitudes atómicas, es decir, del orden de 10-8 cm. Como no es posible observar los cristales ni aun con los microscopios mas potentes, se recurre para estudiarlos a métodos indirectos, como el de la difracción de los rayos X, cuando pasan a través de ellos. Fig. 6. Estructura granular o micrográfica de un material de Acero

La estructura granular o micrografía, tiene como elemento fundamental el grano, formado por agrupaciones de cristales. Las dimensiones de los granos son del orden de 0,2 a 0,002 mm, y por tanto, son observables con microscopios Metalográficos. La estructura macrográfica, tiene como elemento fundamental la fibra, que se forma al alargarse y estrecharse los granos cuando se estiran o laminan los metales. Es observable a simple vista, cuando se pone de relieve con medios adecuados. Los ensayos para la determinación de la estructura cristalina son los mas difíciles de realizar y están fundados en la difracción de los rayos X, cuya generación, propiedades y aplicación a la determinación de las estructuras cristalinas se examinaran mediante la aplicación de los rayos X.

1.5.

ANALISIS TERMICO

Todos los aceros son estudiados a través de diagramas de comportamiento alotrópico, llamados diagramas de equilibrio, en los que se reflejan los procesos de solidificación y transformación de los metales. Para la construcción de esos diagramas, es necesario determinar con toda precisión las temperaturas de principio y final de solidificación, y también las temperaturas a que tienen lugar los cambios de estructura o alotrópicos de los metales y aleaciones en su enfriamiento o calentamiento, una vez ya en estado sólido. Todas las determinaciones constituyen el objeto de lo que se denominado análisis térmicos. Los análisis térmicos, se realiza mediante la medición precisa de temperaturas con termómetros o pirómetros adecuados y con la ayuda de equipos ideados para la determinación de los puntos críticos, como se denominan los puntos o temperaturas a que tiene lugar los cambios alotrópicos. Se determinan principalmente por dos métodos: por el método dilatométrico y por análisis térmico. El método mas empleado es el dilatométrico; pero, en general, se procura emplear todos los métodos posibles, para la determinación de cada diagrama de equilibrio, para asegurarse que los puntos no han sido influidos por ninguna circunstancia anormal. 1.6.

ENSAYOS DE CONSTITUCION (METALOGRAFICOS)

Los ensayos mas adecuados para conocer la constitución de los aceros son los ensayos Metalográficos, la identificación de los constituyentes se realiza en estos ensayos observando la superficie de una probeta, debidamente preparada para este objeto, con ayuda de un microscopio. Los ensayos Metalográficos comprenden las siguientes operaciones: toma de muestra; desbaste y pulido de las muestras; ataque micrográfico y observación de la probeta o muestra con aparatos adecuados. 1.7.

ENSAYOS ESTATICOS

Los ensayos estáticos están compuestos por los ensayos de dureza, ensayos de tracción, ensayos de compresión, ensayos de fluencia, ensayos de pandeo y ensayos de flexión estática. Estos tipos de ensayos tienen como finalidad determinar y analizar las propiedades y el comportamiento mecánico de los materiales en condiciones simuladas a las operacionales. En algunos de estos ensayos los materiales son destruidos; sin embargo existen otros a los cuales se les puede aplicar en el campo de trabajo. La mayoría de los ensayos estáticos confieren la aplicación de cargas brutas en las cuales se generan presiones y fuerzas externas que buscan deformar, doblar, pandear o romper el material, llevándolo hacia su máxima expresión en lo que a soporte de cargas se refiere, para posteriormente determinar las cargas operativas del material guardando un rango de seguridad que facilite el tiempo de vida útil de los materiales, cuando van a ser sometidos a cargas externas en sus condiciones operativas reales. 1.8.

ENSAYOS DINAMICOS

En la sección anterior se ha expuesto de forma somera los ensayos que valoran las propiedades mecánicas de los materiales sometidos a cargas estáticas. Pero, en realidad, las piezas que forman parte de maquinas están muchas veces sometidas a cargas dinámicas que chocan con ellas, las desgastan o, simplemente, al variar de magnitud y sentido, las destruyen por fatiga.

Es por tanto, necesario reproducir las condiciones de los materiales sometidos a cargas dinámicas, con los denominados ensayos dinámicos, de los cuales los principales son: Los ensayos de resistencia al choque, los de desgaste y los de fatiga. 1.9.

ENSAYOS DE DEFECTOS

Los ensayos de defectos tienen por objeto descubrir y localizar defectos en la superficie o en el interior de los materiales. En general, se aplican estos ensayos a piezas terminadas y, por tanto, no deben dañar ni dejar ninguna huella. Estos ensayos son muy útiles y se aplican extensa y sistemáticamente, no solo para el examen de las piezas o productos terminados; sin también en gran escala para revisar periódicamente piezas que están en servicio. Dentro de los principales ensayos de defectos se encuentran los siguientes: ensayos microscópicos, magnéticos, magnetoacústicos, electromagnéticos, sónicos, ultrasónicos, rayos X y rayos gamma. 1.10. SIGNIFICADO DE LOS ENSAYOS Un simplificado del significado de los ensayos, tiene que ver con la confiabilidad de los ensayos para arrojar medidas de las propiedades que deban determinar. El significado real de cualquier ensayo reside en el grado al cual nos capacita para predecir el desempeño de un material en servicio. Un ensayo puede tener significado en una de dos maneras: (1) Puede medir adecuadamente una propiedad que sea suficientemente básica y representativa para que los resultados de los ensayos puedan utilizarse directamente en el diseño. (2) El ensayo, aun cuando sea muy arbitrario, sirve para identificar los materiales que la experiencia ha comprobado que arrojan un desempeño satisfactorio. Por ejemplo, en conexión con el diseño de una barra tensora para la estructura de un puente, un ensayo de tensión en una muestra debidamente seleccionada del acero arrojara un valor que al ser modificado por un factor de seguridad conveniente, pueda tomarse como el esfuerzo de trabajo admisible. El ensayo que pueda lograrse que arroje una indicación directa del desempeño esperado depende en gran medida del estado de desarrollo de las artes del ensayo y del análisis de los esfuerzos. Un hecho sobre saliente a advertir en un estudio de los datos de ensayo detallados y en los resultados de las investigaciones en general, es la variación de las medidas cuantitativas de las propiedades dadas. Esto puede deberse a la carencia de precisión absoluta de las operaciones de ensayos, pero también a la variación real de una propiedad dada entre las muestras. 1.11. DISEÑO DE LOS ENSAYOS En el diseño de los ensayos, se sugieren las siguientes interrogantes fundamentales a considerar:     

¿Cuál es la naturaleza del resultado que se espera? ¿Qué ensayo puede efectuarse para obtener un resultado? ¿Como se relacionarán los resultados de los ensayos con el desempeño? ¿Cuáles son las limitaciones del tipo de ensayo elegido? ¿Cómo debe ajustarse la precisión del ensayo, de acuerdo con las limitaciones a modo de lograr economía de esfuerzo y confiabilidad consistente de los resultados?  ¿Qué tipo de probeta es mas adecuada para el ensayo?  ¿Cuántas muestras son necesarias para obtener resultados representativos? El ensayo ideal debe ser significativo, confiable, reproducible, de precisión conocida y económica. La elección de un procedimiento debe estar controlada por el significado del ensayo, guiada por la economía de esfuerzo e influida por un sentido de la proporción. Las siguientes observaciones deben tomarse en cuenta para la aplicación de un ensayos de materiales:

o o o o o o

La propiedad puede ser definida con suficiente exactitud El material es de composición o pureza conocida Las condiciones existentes son normales o conocidas Los métodos experimentales son teóricamente correctos Las observaciones y sus reducciones se hacen con el cuidado debido El orden de exactitud de los resultados se conoce.

Este ideal raramente se alcanza, pero cuando se propugna los resultados pasan de la etapa cualitativa a la cuantitativa y se les denomina constantes, porque las redeterminaciones no darán resultados sensiblemente diferentes. Los resultados aproximados se mejoran sostenidamente a medida que se inventan instrumentos y métodos mas precisos. El grado exactitud a alcanzar se convierte en una cuestión muy practica en un laboratorio de ensayos. El tiempo y la labor involucrados en los ensayos pueden muy bien aumentar fuera de proporción a medida que los limites de exactitud lograble se acercan. Para la determinación de las constantes físicas o las propiedades fundamentales de los materiales, el grado de exactitud buscado puede ser máximo. En términos generales el grado de exactitud propugnado debe ser aquel que sea estrictamente bueno para el propósito en cuestión. 1.12. ESPECIFICACIONES DE MATERIALES Una especificación intenta ser una declaración de una norma de calidad. La especificación ideal definiría de manera única las cualidades de un material necesario para servir con la mayor eficiencia para un uso dado, y es posible acercarse a ella si pueden realizarse ensayos realmente significativos para determinar la presencia de cualidades requeridas. Una especificación frecuentemente no llega a lo ideal por un numero de razones, algunas de las cuales son las siguientes: 1) Puede ser tan vaga que admita materiales de calidad inferior 2) Puede ser demasiado restrictiva y así excluir un material de eficiencia igual o mayor 3) Puede estar basada en criterios inadecuados o inapropiados con respecto al tipo de servicio requerido 4) Puede no estipular ninguna provisión o hacerlo con una inadecuada, para ser puesta en vigor. Los defectos como estos conducen no solamente a la obtención de materiales insatisfactorios sino frecuentemente a los costos desproporcionados y las disputas interminables. Varias consideraciones fijan los limites dentro de los cuales una propiedad especificada puede permitirse que varíe. El máximo y el mínimo a establecer pueden basarse en el experimento, pero deben reconocer las limitaciones del proceso de fabricación. Estos limites corresponden con los limites dimensionales admitidos al fabricar partes de maquinas, donde se permite una variación tal del tamaño que cada parte que se traduzca en la economía de la fabricación de las partes sin obstruir indebidamente la eficiencia de la maquina montada. Al fijar estos limites de tolerancia para materiales debe tenerse mucho cuidado de evitar rasgos demasiados estrechos por una parte y variaciones demasiado amplias o baja calidad por otra parte. Con frecuencia estos limites involucran la seguridad y, por lo general, la durabilidad y eficiencia. Las especificaciones para materiales de construcción pueden definir los requerimientos para la aceptabilidad del material de una o todas las siguientes maneras:  Especificando el método de fabricación  Especificando forma, dimensiones y acabado  Especificando las propiedades químicas, físicas o mecánicas deseables. Otro tipo de requerimiento, aunque raramente usado en el campo de los materiales, es que un producto no exhiba defectos estipulados durante cierto periodo después de la compra. Las especificaciones de

desempeño a menudo se usan para las maquinas. Los requerimientos relacionados con los métodos de muestreo, ensayo e inspección con frecuencia se incluyen en las especificaciones de los materiales. 1.13. ESPECIFICACIONES NORMALES Una especificación normal para un material es por lo general el resultado de un acuerdo entre los interesados en un campo particular e involucra la aceptación para su uso de las agencias participantes. Una especificación normal implica métodos de ensayos normales y ocasionalmente también definiciones normativas. En algunos casos, los métodos de ensayo se incorporan a una especificación de materiales. Por otra parte, algunas agencias normativas establecen métodos de ensayos además de las especificaciones de materiales y hacen referencia obligatoria a los métodos de ensayos. Las especificaciones normales apropiadamente redactadas y susceptibles de ponerse en vigor pueden tener un valor inmenso para la industria. Algunas de las ventajas que pueden citarse para las especificaciones de materiales normales son: 1. Usualmente representan el conocimiento combinado del productor y del consumidor y reducen la posibilidad de que surjan malentendidos. 2. Ofrecen al fabricante una norma de producción, tienden a arrojar un producto mas uniforme y reducir el numero de variedades requerido en existencia, bajando así el consiguiente desperdicio y, por lo tanto, el costo. 3. Reducen los costos unitarios al tornar posible la producción en masa de artículos normalizados. 4. Permiten al consumidor usar una especificación ya ensayada y que puede ponerse en vigor. 5. Permiten al diseñador elegir un material con la certeza razonable de adquirirlo. 6. Simplifica la preparación de especificaciones para uso especial porque las especificaciones normales publicadas pueden incorporarse por referencia. 7. Ayudan al agente de compras a conseguir cotizaciones verdaderamente competitivas y compararlas. 8. Establecen el procedimiento para normas de ensayo en el campo comercial y por ello permiten la comparación de los resultados de los ensayos obtenidos en diferentes laboratorios. En el desarrollo inicial de un procedimiento de ensayo normal, frecuentemente las organizaciones cooperantes realizan una considerable investigación para desarrollar un procedimiento que arroje resultados de ensayos reproducibles y significativos. La desventaja de las especificaciones normales es que tienden a estereotipar las practicas que puedan estar solamente en etapa de desarrollo y así obstruyen el progreso donde mas se le necesita. Por esta razón, las especificaciones normales deben quedar bajo la jurisdicción de una agencia bien informada y completamente imparcial. Las especificaciones para materiales y métodos de ensayos deben someterse a una continua revisión para determinar su adecuación en condiciones cambiantes. Asimismo , varios códigos basados en estas normas deben revisarse continuamente. 1.14. AGENCIAS ESTANDARIZADAS Como la normalización tiene una influencia tan importante en los métodos de ensayos ordinarios, resulta deseable para el Ingeniero poseer alguna familiaridad con la naturaleza y las especificaciones de los materiales extensamente usados y los métodos de ensayos. Las normas promulgadas por la AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIAL (Sociedad Americana para el Ensayo de Materiales), son particular interés e importancia para quienes se ocupan del ensayo de materiales y de la inspección.

La ASTM desempeña la doble función de: (1) la normalización de las especificaciones y los métodos de ensayos de los materiales, la cual es realizada por comités permanentes, cada uno de los cuales tiene bajo su jurisdicción los materiales de ingeniería en un campo específicamente prescrito o alguna fase también especifica del ensayo de materiales; y (2) el mejoramiento de los materiales de ingeniería, el cual es logrado a través de investigaciones y rebusca por comités y miembros individuales, los resultados de las cuales se hacen públicos a través de las publicaciones de la sociedad. Las especificaciones se publican en una serie de volúmenes separadas llamadas ASTM STANDARDS (Normas de la ASTM), las cuales se lanzan en nueva edición cada tres años. La labor de la normalización incluye en general:  El desarrollo de los métodos de ensayos para los materiales  El establecimiento de definiciones normales  La formulación de especificaciones de materiales  La formulación de practicas recomendables que influyen en varios procesos de utilización de materiales. Dentro de las organizaciones normativas, las mas importantes son: la ASTM, ASCE, ASME, AIEE, AIMM, API, SAE, AISI, DIN, JIS, FIOR, ASA, ACI, ABS, AASHO, METAL HANDBOOK, entre otras. 1.15. LOS ENSAYOS Y EL SENTIDO COMUN La experimentación y el ensayo científico, así como las matemáticas, han llegado a ser una importante herramienta del ingeniero. El ensayo no debe usarse como sustituto del pensamiento, aunque podría descubrirse que un experimento apropiado pudiera coadyuvar al análisis. Antes de emprenderse, el propósito de un ensayo debe de entenderse bien, y el carácter general de los resultados debe ser previsto. La magia de los ensayos reside no en iniciarlos y esperar lo mejor, sino en los resultados de la planeación cuidadosa e inteligente y el lento y penoso proceso de resolver dificultades. Es importante para el ingeniero interesado en la realización de los ensayos haber desarrollado la habilidad para visualizar lo que acontece tras de las operaciones físicas de los ensayos las líneas de esfuerzo y deformación, las reacciones, los movimientos de las partes componentes, los circuitos de flujo, etc. Debe percatarse de las oportunidades de error y advertir rápidamente donde podría ocurrir los errores. Debe permanecer alerta para advertir lo inusitado, pues ahí yace el embrión del descubrimiento. Debe ser el primero en comprobar sus resultados recurriendo al criterio de lo que aparezca como razonable y estar listo para verificarlos si no le parecen. Un experimento o un ensayo permanece inconcluso hasta que se le resume, comprueba e interpreta. Debe constituir el orgullo, como es la obligación, del ingeniero de presentar los resultados de sus descubrimientos de manera clara, enfática, inteligible y agradable. La naturaleza de un informe debe ajustarse para satisfacer las necesidades del auditorio. Las personas no técnicas y los usuarios de materiales no informados poseen una tendencia a pensar que los ensayos, especialmente los de aceptación, como instrumento precisos, infalibles y de aplicación general. Los ensayos siempre están sometidos a condiciones limitativas, y los resultados no se pueden informar apropiadamente hasta que se les ha asignado una interpretación práctica. 1.16. TRABAJO DE INVESTIGACION Para afianzar uno de los puntos de mayor prioridad en esta sección, por ser un tema que no será tocado hasta estos momentos durante el desarrollo de las practicas de Ciencias de los Materiales; se hace necesario la elaboración de un trabajo de investigación correspondiente al tema ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS, por su gran importancia en el desarrollo de la investigación e inspección de campo. Para elaborar este trabajo se tomará en cuenta el siguiente esquema:

    

Definición General de los Ensayos No Destructivos Características de los Ensayos No Destructivos Tipos de Ensayos No Destructivos Definición de cada tipo de Ensayo No Destructivo Características y Propiedades de cada END (Incluye fotografía de equipos y momentos de aplicación de cada uno)

Este trabajo tendrá como máximo seis (6) páginas, incluyendo la portada; no deberá incluir: Índices, Esquemas, Introducciones, Conclusiones, Bibliografía, Resúmenes, etc. Solo Portada y desarrollo de la investigación. El trabajo debe ser estrictamente concreto, pero en forma concisa y con un texto razonablemente entendible. La fecha de entrega de este trabajo, será estipulada por el Profesor de la cátedra.

Capitulo

2 EN SAY O S de D U R EZA Cuando los minerales son extraídos y procesados para transformarlos en materiales de utilidad para la humanidad, obtienen diversas propiedades entre las cuales se encuentran: Las propiedades químicas, magnéticas, de conductividad, eléctricas, mecánicas, entre otras. De todas esas propiedades, las que permiten el estudio del comportamiento de los materiales en forma generalizada, son las propiedades mecánicas; las cuales establecen condiciones predeterminadas que contribuyen al buen desempeño de los mismos, así como también le simplifican al ingeniero hacer la elección adecuada, dependiendo del servicio al cual van a ser sometidos. Para medir parte de las propiedades mecánicas se hace imprescindible estudiar la resistencia y dureza del material, a fin de poder definir cuales serian sus mayores esfuerzos a ser soportados o en su defectos, cuales serian las transformaciones que habría sufrido un material que se encontraba en pleno funcionamiento. El interés de la determinación de la dureza de los metales, estriba en la correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica en los aceros al carbono, siendo un método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo que su uso está muy extendido. Hasta la aparición de la primera máquina Brinell para la determinación de la dureza, ésta se medía de forma cualitativa empleando una lima de acero templado que era el material más duro que se empleaba en los talleres.

2.1.

GENERALIDADES

Todo lo que nos rodea está compuesto de diversos materiales, entre los cuales podemos mencionar; El plástico, el concreto, el acero, el hierro, el aluminio, el cobre, el bronce, el estaño, el antimonio, la madera, el hule y muchos más. Cada uno de estos materiales, al momento de ser fabricados, obtuvieron ciertas propiedades, tales como: Propiedades químicas, eléctricas, de conducción, magnéticas, mecánicas, etc. Propiedades estas que establecen comportamientos o indicios que nos sugieren el momento preciso y especifico de cuando puedan ser utilizados, y es por ello que se encuentran, no en todos los productos, sino en aquellos en donde su condición se lo permite o la utilidad en la cual se requiere lo amerita. De todas las propiedades antes mencionadas, para nuestro estudio, las más importantes son las propiedades mecánicas. Estas propiedades, como su nombre lo indica nos permite medir su comportamiento mecánico, basado en la aplicación de ciertas técnicas de evaluación, que por medio de un análisis tanto cuantitativo como cualitativo, nos permiten conocer el material con el cual estamos trabajando.

2.2.

PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES

A pesar de que cada material genera diversas propiedades, las que mas establecen el comportamiento mecánico son las propiedades mecánicas; Dentro de estas propiedades, se encuentran las propiedades de: Cohesión, Elasticidad y Plasticidad. Estas propiedades, nos permiten evaluar el grado de resistencia, de deformación y el tiempo de vida útil de un material cuando el mismo es sometido a ciertas condiciones que influyen en su estructura interna. Ahora comenzaremos a definir cada una de estas propiedades: 

La Cohesión: Es la resistencia que oponen los átomos a separarse unos de otros. En otras palabras es la capacidad que tienen los materiales a dejarse penetrar por otro. Para poder explicar esta definición debemos estar claros, que los materiales mencionados en este capítulo y los que no hayan sido mencionados están compuestos por átomos; estos átomos ocupan un lugar predeterminado en el material separados por distancias interatómicas conocidas como espacios intersticiales o intersticios, tal como se puede ver en la figura N° 1. Tomando en cuenta lo antes aclarado, tomemos como ejemplo una lámina de acero, la cual se desea penetrar mediante un punzón, utilizando como fuerza de empuje un martillo; lógicamente sabemos que la fuerza de empuje que tiene el martillo es suministrada por la mano del hombre; pero apartando ese pequeño detalle y volviendo a lo que se desea establecer, podemos decir que cuando el punzón incide sobre la superficie del material, deja una pequeña huella, con una profundidad irrelevante para nuestra vista, pero para efectos del material se ha producido una deformación.

Espacios Intersticiales o intersticios

Átomos

Figura N° 1. Distribución de átomos en los materiales

Cuando el punzón incide sobre el material, los átomos adoptan posiciones de tal forma que los espacios intersticiales afloran para poder absorber la energía producida por la fuerza de empuje, para posteriormente impulsar al cuerpo extraño hacia fuera, y tratando de recuperar su forma original, pero una parte de la superficie del material nunca lo logra, y como consecuencia se genera la pequeña huella a la cual hicimos

mención anteriormente. Cuando el cuerpo extraño es expulsado, los átomos recuperan su posición original, sin importar la deformación ocasionada, ya que la misma no es influyente en las propiedades mecánicas de dicho material. 

La Elasticidad: Es la capacidad que tienen los materiales a deformarse temporalmente, cuando inciden sobre ellos cargas externas, que al cesar, el mismo recobra su forma original. Un ejemplo muy práctico de esta definición es el siguiente. Imagínese un closet, el cual tiene en su interior un tubo de aproximadamente 1-1/2 pulgadas, sobre el cual se deja reposar una cantidad de vestimenta durante un tiempo sumamente corto, digamos unos 3 min.; la acumulación de esta gran cantidad de ropa genera un peso determinado que sobrepasa la carga máxima al cual fue diseñado el tubo; al cabo de ese tiempo, se puede observar que el tubo tiende a deformarse optando una curvatura con sentido hacia abajo; posteriormente al tiempo señalado, se retira toda la cantidad de ropa que sobre el tubo reposaba y es en ese momento, en el cual el tubo recupera su forma original.



La Plasticidad: Es la capacidad que tienen los materiales, a deformarse permanentemente, cuando inciden sobre ellos cargas externas, que aunque cesen, el material se mantiene deformado. Tomemos el ejemplo anterior, en el cual al mismo tubo del clóset, se vuelve a colocar la misma cantidad de vestimenta. Recuerden que esta cantidad de ropa sigue generando el mismo peso determinado; pero esta vez, permanece por un tiempo prologando, aproximadamente 3 meses; al cabo de ese tiempo, se retira toda la vestimenta que sobre él reposaba y aun cuando el tubo trata de recuperar su forma original, solo logra una fracción de la misma; sin embargo el material permanece deformado con una curvatura pronunciada hacia abajo.

En estos ejemplos tan sencillos puede verse con claridad, como las propiedades de elasticidad y plasticidad influyen sobre el comportamiento del material en diversas condiciones, tanto favorables como desfavorables, por lo que a partir de aquí se concluye que para poder utilizar cualquier material en condiciones especificas, debemos analizar su comportamiento, tanto estructural como mecánico, para poder garantizar su funcionabilidad. Dentro de la propiedad de plasticidad se generan dos tipos de deformaciones: La deformación por envejecimiento y la deformación por exceso. o Deformación por Envejecimiento. Es aquella que se produce cuando un material es sometido a su máxima capacidad de resistencia durante un periodo prolongado, logrando de esta manera que la fibra de los materiales se estiren de forma tal, que no pueden volver a su estado original. Un ejemplo claro de este tipo de deformación, es cuando se toma un material diseñado para soportar una resistencia máxima de 4.200 kg/mm2 y es sometido a su máxima resistencia durante un tiempo prolongado. A medida que el tiempo transcurre las fibras estructurales del material se estiran pasando el límite entre la elasticidad y la plasticidad, trayendo como consecuencia que se genere una deformación permanente a nivel estructural. Es por ello que normalmente, los diseñadores y fabricantes de materiales, luego de evaluar dicho material recomiendan, que los mismos sean trabajados con cargas menores a las cargas de diseño (máxima resistencia a soportar), garantizando de esta manera el tiempo de vida útil de los materiales. o Deformación por Exceso. Es aquella que se produce, cuando un material es sometido a esfuerzos por encima de su máxima capacidad de resistencia, trayendo como consecuencia que el material se deforme en forma instantánea y puede llegar hasta su ruptura si fuera el caso. Para este tipo de deformación se toma como ejemplo la utilización de un material que ha sido diseñado para soportar cargas de hasta 2.500 kg/mm2, sin embargo por problemas operacionales, las cargas exceden a los 2.850 kg/mm2. Este incremento de la carga genera no solo una deformación permanente, sino que además, puede causar que el material fracture por completo logrando su ruptura total.

Existen dos subpropiedades dentro de la plasticidad; la Maleabilidad y la Ductilidad.  La Maleabilidad: Es aquella propiedad en donde el material se deforma en forma de lámina, tal como se produce en el proceso de Laminación. La laminación es un método de mecanizado utilizado para crear láminas o chapa de metal. El proceso consiste en deformar los metales haciéndolos pasar entre dos cilindros (figura N° 2), que giran en sentido inverso.

Figura N° 2. Proceso de Laminación

Este proceso metalúrgico se puede realizar con varios tipos de máquinas. La elección de la máquina más adecuada va en función del tipo de lámina que se desea obtener (espesor y longitud) y de la naturaleza y características del metal. La máquina más común es de simples rodillos, por entre los cuales se introduce el metal a altas temperatura (laminado en caliente). También es posible la laminación a temperaturas bajas (laminado en frío). En este caso la relación de espesor de entrada a los rodillos frente al espesor de salida es menor que en el caso de laminado en caliente, necesitándose varias pasadas hasta completar el proceso. Es habitual utilizar en este caso laminadores reversibles. La calidad del laminado en frío suele ser mayor que la laminación en caliente, ya que es posible tomar medidas de espesores, realizando así un mejor control del proceso. El proceso consiste en pasar un material (Touchos, Toudom o Lingote), con dimensiones de 4” x 4” x 2 metros de largo por un par de rodillos, tal como se puede ver en la figura N° 2. Previamente, dicho material debe ser calentado hasta alcanzar una temperatura de 800°C, aproximadamente, debilitando de esta manera las propiedades del mismo, convirtiéndolo en blando para lograr una deformación adecuada, sin producir daños exteriores o interiores. El producto final de la laminación puede presentarse en grupos de chapas de tamaños normalizados, o de bobinas en las que la lámina se enrolla en un cuerpo, también bajo medidas normalizadas.  La Ductilidad: Es aquella propiedad en donde el material se deforma en forma de hilo, tal como se produce en el proceso de trefilado. El trefilado, consiste en el estirado del alambre en frío, por pasos sucesivos a través de hileras, dados o trefiles de carburo de tungsteno cuyo diámetro es paulatinamente menor (figura N° 3). Esta disminución de sección da al material una cierta acritud en beneficio de sus características mecánicas.

Figura N° 3. Proceso de Trefilado y Estirado

La disminución de sección en cada paso es del orden de un 20% a un 25% lo que da un aumento de resistencia entre 10 y 15 kg/mm2. Alcanzado cierto límite, variable en función del tipo de acero, no es aconsejable continuar con el proceso de trefilado pues, a pesar que la resistencia a tracción sigue aumentando, se pierden otras características como la flexión. Como puede verse en ambos casos se presentan, los tipo de deformaciones que se han descrito anteriormente (Envejecimiento y Exceso); sin embargo en los procesos que se han mencionado, no se busca romper el material, por el contrario, se busca deformarlo de tal forma que se le pueda dar una forma específica para un producto determinado que provea un beneficio. Las propiedad de cohesión solo puede ser medida a través de los ensayos de dureza, mientras que las propiedades de elasticidad y plasticidad, pueden ser medida a través de los ensayos de tracción.

2.3.

DUREZA

Como se ha podido observar hemos tocado ciertos puntos que son de vital importancia para poder desarrollar a ciencia cierta una de las propiedades mecánicas como lo es la cohesión, la cual solo puede medirse a través de los valores de dureza; sin embargo debemos saber que significa la dureza y qué importancia tiene sobre los materiales, así como también su comportamiento. La dureza se puede definir como la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro más duro. También se valora en función de la altura del rebote de un cuerpo al hacerlo caer sobre la superficie del material ensayado (tomar el ejemplo del punzón que penetra una lámina, anteriormente descrito). Como puede verse, la definición de dureza coincide con la definición de Cohesión. Para poder estudiar este ensayo, debemos conocer los principios fundamentales del comportamiento mecánico de los materiales cuando dicho ensayo se aplica.

2.4.

PRINCIPIO FUNDAMENTAL DE LA DUREZA

Como ya se menciono anteriormente al inicio de este capítulo, todos los materiales, se encuentran conformados internamente por átomos bien distribuidos a través de toda la masa del mismo. Entre cada átomo existen pequeños espacios o vacantes, que se denominan “ESPACIOS INTERSTICIALES O INTERSTICIOS”; (figura N° 1.), dichos espacios conforman una especie de colchón cuando existe un cuerpo extraño incidiendo sobre su superficie. A medida que el cuerpo incide sobre la superficie, dichos espacios actúan impidiendo la entrada del mismo. Si la cantidad de espacios intersticiales es mayor el cuerpo incidente puede penetrar mas al material generando huellas de mayor diámetro o tamaño; pero si la cantidad de espacios es menor, el cuerpo incidente penetra muy poco y la huella generada es de menor tamaño o diámetro. En resumen se pueden establecer los siguientes principios:   

A mayor espacios intersticiales y menor cantidad de átomos, menor es su valor de dureza. A menor espacios intersticiales y mayor cantidad de átomos, mayor es su valor de dureza. Un material a mayor dureza se considera mas frágil.

Cuando un material presenta un valor de dureza alto se considera totalmente duro a la penetración pero es totalmente frágil al impacto, generándose la siguiente afirmación, a mayor cantidad de espacios intersticiales, mayor valor de dureza y por consiguiente el material se considera mas frágil; Sin embargo, hay resaltar, que los materiales de acero, no son frágiles a cualquier tipo de impacto, sino que no soportan impactos extremos medianos, debido a su poca capacidad de absorción de las vibraciones generadas por dicho impacto.

2.5.

TIPOS DE DUERZA

La dureza no es una propiedad fundamental de un material, sino que esta relacionada con las propiedades de elasticidad y plasticidad. El Procedimiento de prueba y la preparación de la muestra suelen ser sencillos y los resultados pueden utilizarse para estimar propiedades mecánicas. Los tipos de dureza mas comunes son: a)

Dureza al rayado: Resistencia que opone un material a dejarse rayar por otro. Dentro de la dureza al rayado tenemos:    

b)

Dureza Mohs (mineralógica). Dureza Lima. Dureza Martens. Dureza Turner.

Dureza a la penetración: Resistencia que opone un material a dejarse penetrar por otro más duro.     

Dureza Brinell (HB) Dureza Rocwell (HR) Dureza Vickers (HV) Dureza Shore (HS) Dureza Knoop (HK)

Dureza MOHS. Se usa para determinar la dureza de los minerales. Se basa en que un cuerpo es rayado por otro más duro. Esta es la escala de Mohs: ESCALA DE MOHS Escala

Mineral ejemplo

Foto

Descripción

1

Talco

Los minerales de dureza 1 según esta escala, parecen grasientos al tacto y se les puede rayar con la uña.

2

Yeso

Las uñas contienen una proteína dura que puede rayar minerales de una dureza 2

3

Calcita

El canto de una moneda de cobre rayará minerales de dureza 3

4

Fluorita

Los minerales de dureza 4 son fácilmente de rayar con cristales de vidrio de ventana

5

Apatita

Los cristales de las ventanas rayarán los minerales de una dureza 4 hasta 5

6

Ortoclasa

El canto agudo de un utensilio de acero, como una lima, raya los minerales de dureza hasta 6,5

7

Cuarzo

Demasiado duro para rayarlo con materiales normales, pero servirá para probar sustancias más blandas

8

Topacio

Los minerales de 8 o más grados de dureza son muy raros, pero lo que no se suelen necesitar pruebas de rayado

9

Corindón

El corindón deja su marca en todos los demás minerales de la escala, salvo el diamante.

10

Diamante

La única materia natural que puede rayar a otro diamante es otro diamante.

La fundición gris está entre 8 y 9; el hierro dulce en el 5; y los aceros entre 6,7 y 8. Algunas de las relaciones entre las diferentes escalas de dureza, pueden apreciarse en la figura N° 4.

Figura N° 4. Comparación de Varias Escalas de Dureza

Dureza a la Lima Puede determinarse aproximadamente la dureza de un acero por medio de una lima metalica nueva o en buen estado. Si la lima no entra, su dureza será superior a 60 HRc ó 60 Rockwell C, y si le entra, será inferior a 58 HRC ó Rockwell C. Este tipo de dureza puede considerarse incluido entre los que miden la dureza al rayado. Dureza Martens Se basa en la medida de la anchura de la raya que produce en el material una punta de diamante de forma piramidal y de ángulo en el vértice de 90°, con una carga constante y determinada. Se aplica sobre superficies nitruradas. Se mide “a” en micras (figura N° 5) y la dureza Martens viene dada por:

Figura N° 5. Identación de la Dureza Martens

Dureza Turner Es una variante de la dureza Martens. La dureza viene dada en función de los gramos necesarios (carga necesaria, P) para conseguir una deformación tal que a = 10 micras. El valor de las carga será el valor de la dureza Turner. Dureza a la Penetración La determinación de la dureza se hace generalmente por los ensayos de penetración o también conocidos como ensayos mecánicos. Consiste en la utilización de un penetrador que incide en la superficie del material. Sobre este penetrador se ejerce una carga conocida presionando el penetrador a 90° de la superficie del material de ensayo. El penetrador tiene diferentes formas y de acuerdo a esta es la huella que queda impresa en el material la cual tiene un diámetro una profundidad determinada. De acuerdo a la geometría de la huella y a la carga, se utilizan diferentes fórmulas para determinar el valor de la dureza. Actualmente hay aparatos que leen la dureza de una forma digital, dependiendo del tipo de método de ensayo aplicado. Los métodos más utilizados son: o Método Brinell (HB) o Método Rockwell (HR) o Método Vickers (HV) o Método Shore (HS) o Método Knoop. (HK) Las abreviaturas HB, HR, HV, HS y HK; son unidades de medidas establecidas para cada método al igual que el metro (m), la pulgada (pl.), entre otros. La H significa “Hardness” o dureza en ingles, la letra que le sigue corresponde al método aplicado.

2.6.

METODO BRINELL

Iniciemos este punto con uno de los métodos más aplicados tanto a nivel de campo, como de laboratorio, y tal vez uno de los que tiene más auge en el ambiente industrial. El aparato mas elemental consiste en una prensa mediante la cual se aplica la carga correspondiente (figura N° 6). El método consiste en comprimir una bola de acero templado de diámetro “D" sobre el material a ensayar, por medio una carga de “P” medida en Kg y durante un tiempo “t” medido en segundos. Este método utiliza patrones estándar de ensayo para poder de forma tal que se pueda facilitar las condiciones de medida y ejecución; dichos patrones estándar se encuentra descrito en la siguiente tabla.

Descripción CARGA PENETRADOR

PATRONES ESTANDAR DE ENSAYO Valores 3.000 Kg Bola de Acero Templado de 10 mm de diametro

TIEMPO DE PENETRACION DIAMETRO DE HUELLA MATERIAL A ENSAYAR ESPESOR

Simbolos P D

30 Segundos

Tp

1/3 * D Acero 6 mm ó >

d e

El Penetrador de dureza Brinell generalmente consta de una prensa hidráulica vertical de operaciones manual, diseñada para forzar un marcador de bola dentro de la muestra. ( figura N° 7).

Figura N° 6. Maquina de Ensayos Brinell

Las cargas pueden variar de acuerdo al tipo y clase de material, de 3.000 kg para metales ferrosos a 500 kg para metales no ferrosos. Para metales ferrosos, la bola bajo presión incide sobre el metal durante un tiempo de 30 segundos y en materiales no ferrosos mediante un tiempo de 10 segundos. El diámetro de la impresión o huella (figura N° 9), producida es medido por medio de un microscopio manual portátil que contiene una escala ocular (figura N° 8), generalmente graduada en milímetros, que permite estimaciones de hasta casi 0.05 mm. El microscopio portátil es semejante a un bolígrafo, el cual se coloca sobre el material y específicamente sobre la huella para poder realizar la medición del diámetro de la misma tal y como se observa en la figura N° 9. El número de dureza Brinell (HB) es la razón de la carga en kilogramos al área en milímetros cuadrados de la impresión, y se calcula mediante la fórmula de dureza Brinell (HB).

Figura Nº 7. Esquema de Penetración de un cuerpo penetrante sobre la superficie de un material

Lente Ocular Borde del microscopio Borde de la Huella Entrada de Luz Natura

Lente escalar Lente Escalar inferior Figura N° 8. Microscopio Ocular Portátil

Figura N° 9. Diámetro de impresión o huella

Por lo general no se necesita hacer el cálculo, ya que existen tablas para convertir el diámetro de la huella observada al número de dureza Brinell (Ver Tabla Nº 1, de Dureza Brinell). El diámetro de la huella dejado por el penetrador. Para poder entender el manejo de esta tabla debemos realizar un ejemplo y de esta manera aprender a manejarla. Basada en la figura indicada se puede determinar el valor de dureza mediante la aplicación de la formula (2.1.), en donde se establecen los diversos parámetros que involucran el ensayo.

𝑵𝑯𝑩 =

𝟐𝑷 𝝅×𝑫 𝑫− 𝑫𝟐 − 𝒅𝟐

(1.1)

Donde: P = Carga de Prueba (kg) D = Diámetro de la Bola (mm) d = Diámetro de la impresión o huella. (mm) Si observamos bien la tabla N° 1, podemos ver que la misma se componen de varias columnas, para lo cual iniciaremos su lectura de izquierda a derecha. La primera columna tiene como subtitulos “BRINELL y mas a bajo BOLA DE 10 mm CON 3.000 KG”; si observamos estos valores podemos ver que los mismos corresponden a los parámetros originales de los ensayos Brinell (Ver Tabla de Patrones de Ensayos). La primera columna se encuentra dividida en dos subcolumnas: Una en donde se identifica el diámetro de huella dejada por el cuerpo penetrante y la columna siguiente que indica el valor de dureza en Brinell. Consecutivamente se reflejan otras columnas, en donde se especifican otros valores pero en otros métodos, tales como el Rockwell en sus dos principales escalas, el Vickers y el Shore, pero también especifica los valores de Resistencia a la Tracción Aproximada, ya que los valores de dureza se encuentran estrechamente relacionados con la resistencia del material. Para entender mejor lo antes descrito realizaremos un ejemplo e un ensayo común Ejemplo: Durante una inspección se realizó un ensayo Brinell a una lámina de acero, el espesor de dicha lamina es de aproximadamente 6,35 mm. Determinar el valor de dureza del material. Solución Para poder realizar este ensayo, simplemente la lámina fue sometida a la prensa hidráulica de la

maquina Brinell que aparece en la figura N° 6, cuando el penetrador incide sobre la superficie deja una huella. Esta huella se mide por medio del microscopio portátil y se procede a medir el diámetro de la huella, la cual refleja un valor de 4,35 mm. Se busca este valor en la tabla N° 1, primera columna y se verifica el la dureza en Brinell en la columna contigua. Su valor es de 192 HB. Como puede verse simplemente se debe tener el diámetro de la huella para poder determinar los valores de dureza. Es necesario mencionar que esta tabla solo puede ser aplicada, siempre y cuando, el material ensayado sea acero y que a su vez cumpla con los parámetros estándar de ensayo. Si cualquiera de estos parámetros no se cumple, no se puede utilizar la tabla N° 1.

En algunas ocasiones no se cuenta con tablas en el sitio de trabajo, por lo que se hace necesario utilizar otra herramienta, basada en la figura N° 7 se puede determinar el valor de dureza mediante la aplicación de la formula (2.1.), en donde se establecen los diversos parámetros que involucran el ensayo. A veces por condiciones de campo se considera el valor de un tercio (1/3) del diámetro del penetrador para correlacionar el diámetro de huella, el cual se utilizará, para efectos de cálculos, cuando no se pueda medir dicho diámetro de huella, pero se debe conocer el tipo y el diámetro de penetrador a ser utilizado. El ensayo de dureza Brinell, se practica perfectamente con materiales de perfil grueso, de hierro o acero, pues las huellas obtenidas son claras y de contornos limpios. Sin embargo, al tratar de aplicarlo a materiales de espesores inferiores a 6 mm o en su defecto, se ensayarían materiales no ferrosos, utilizando la bola de 10 mm de diámetro se deformaría el material, y los resultados obtenidos serian erróneos. Por lo tanto se requirió disminuir la carga y al mismo tiempo el diámetro de la bola para que el diámetro de la huella pudiese quedar comprendida entre D/4 < d < D/2. Para ensayar un material las cargas a ser aplicadas deben estar relacionadas directamente con el espesor del material y el tipo de material que se ensaya. Respecto a las cargas, tienen que ser proporcionales al cuadrado del diámetro, para que las huellas obtenidas sea semejantes y los resultados comparables, mediante la siguiente expresión: 𝑷 = 𝑲 × 𝑫𝟐

(1.2)

A continuación se especifica la tabla de valores de carga con relación al diámetro del penetrador durante la aplicación de los ensayos Brinell, para diferentes espesores. (Ver Tabla Nº 2). TABLA Nº 2 DIÁMETRO DE LAS BOLAS Y PRESIONES EMPLEADAS EN EL ENSAYO BRINELL CONSTANTE DE ENSAYO “K” . Espesores de la Probeta

Diámetro de la Bola en mm.

30 2 30*D

10 2 10*D

5 2 5*D

2.5 2 2.5*D

1.25 2 1.25*D

1.

Superior a 6 mm

10

3.000

1.000

500

250

125

2.

De 6 a 3 mm

5

750

250

125

62.50

31.20

3.

Menor a 3 mm

2.5 1.25 0.0625

187.50 46.90 11.70

62.50 15.60 3.91

31.20 7.81 1,953

15.60 3.91 0.977

7.81 1,953 0,488

El coeficiente “K” empleado depende de la clase de material, siendo mayor para los materiales duros y menor para los materiales blandos (Ver Tabla Nº 3) TABLA Nº 3 VALORES DE COEFICIENTE “KD” DE DUREZA DE CADA MATERIAL MATERIALES HIERO Y ACEROS COBRE, BRONCES Y LATONES ALEACIONES LIGERAS ESTAÑO Y PLOMO METALES MUY BLANDOS

VALOR “KD” 30 10 5 2.5 1.25 – 0.5

Para poder entender la aplicación de estas tablas realizaremos un ejemplo, el cual se describe a continuación: Ejemplo: Se tiene una tubería de acero, la cual se desea ensayar mediante el método Brinell. Durante la aplicación del ensayo se determinó que la misma contaba con un espesor de 3,48 mm en forma generalizada (Promedio en toda la tubería). Calcular el valor de dureza en Brinell. Solución: Para iniciar la solución de este ejemplo, debemos tomar determinar si el mismo cumple con los parámetros estándar de ensayo. Por lo que podemos observar de los parámetros estándar solo se cumple el tipo de material; esto nos lleva a utilizar las tablas N° 2 y 3 y por ende la aplicación de la formula 2.2. La formula 2.2 establece que de dicha formula.

𝑷 = 𝑲 × 𝑫𝟐 , por lo que hay que identificar cada una de las variables

Determinando el Valor de K, nos vamos a la tabla N° 3, y determinamos que el acero tiene un coeficiente de dureza de 30. Con esto identificamos la expresión: 𝑷 = 𝟑𝟎 × 𝑫𝟐 Con esta expresión ya se puede identificar la columna, solo nos faltaría identificar la fila y el valor de la carga a ser utilizada. Podemos ver que el espesor promedio del material es de 3,48 mm. Esto lo llevamos a la tabla N° 2 y se observa que se encuentra ubicado en el renglón 2 (entre 6 y 3 mm), segunda fila, columna 1. Si hacemos coincidir la fila 2 con la columna 2, podemos determinar el diámetros del penetrador, el cual es de 5 mm, si continuamos y hacemos coincidir la fila 2 con la columna 𝑷 = 𝟑𝟎 × 𝑫𝟐 , se puede determinar que la carga máxima a ser utilizada es de 750 Kg. Para determinar el valor de dureza ya tenemos algunos parámetros, como por ejemplo: la carga y el diámetro del penetrador, nos faltaría determinar el diámetro de huella, para ello se aplica la expresión: d = 1/3 * D, eso nos daría como resultado d = 1/3 * 5 = 1,67 mm Aplicando la ecuación 2.1, para determinar el valor de dureza, se tiene que: 𝑵𝑯𝑩 =

𝟐𝑷 𝝅×𝑫 𝑫−

𝑫𝟐

−

𝒅𝟐

=

𝑵𝑯𝑩 =

𝟐(𝟕𝟓𝟎) 𝝅×𝟓 𝟓−

𝟓𝟐 − 𝟏, 𝟔𝟕𝟐

𝑵𝑯𝑩 = 𝟑𝟑𝟑 𝑯𝑩 NOTA: Fijese que el valor de dureza que se ha obtenido, se encuentra expresado en entero. Esto es debido a que la dureza por ser una propiedad atómica no se presenta en decimales. Respecto a los tiempos que debe durar el ensayo, oscilan entre 30 segundos para los aceros y 180 segundos para materiales muy blandos (Ver tabla Nº 4) TABLA Nº 4 TIEMPO DE ENSAYO BRINELL PARA CADA TIPO DE MATERIAL MATERIALES HIERROS Y ACEROS COBRE, BRONCES Y LATONES ALEACIONES LIGERAS ESTAÑO Y PLOMO MATERIALES MUY BLANDOS

TIEMPO DE ENSAYO 10 A 30 SEG. 30 SEG. 60 A 120 SEG. 120 SEG. 180 SEG.

En esta tabla puede observarse que existen algunos materiales que poseen dos tiempos de penetración; sin embargo haremos una pequeña pausa, para determinar el porqué de los dos tiempos. Para ello analizaremos el primer renglón (Hierros y Aceros), el se toma debido a que el acero y el hierro son los únicos materiales que aunque provengan de la misma fusión tienden a presentar diversas propiedades y/o comportamientos mecánicos. Para poder explicarlo debemos hacer hincapié en la fabricación del acero. Este tipo de material, cuando es fabricado se realiza una combinación de dos componentes tales como el carbono y el Hierro para formar el Carburo de Hierro (Fe3C), comúnmente denominado acero. Esta combinación recibe el nombre de Aleación. Una Aleación es la combinación de dos o más componentes o compuestos donde por lo menos uno debe ser metal. Las aleaciones de se dividen en dos tipos: Aleaciones Binarias y Aleaciones Ternarias. Las Aleaciones Binarias es la combinación de dos componentes o compuestos, donde por lo menos uno es metal; ejemplo de ello es el Carburo de Hierro (Fe3C); sus valores de dureza oscilan entre 100 y 210 HB; y su porcentaje de carbono se encuentra entre 0,0008% y 0,89%C. Las Aleaciones Ternarias es la combinación de tres o más componentes o compuestos, donde por lo menos uno es metal; ejemplo de ello es el Cromato Niquel Molibdato Vanadico titánico de Carburo de Hierro ([Cr5.Ni.Mo5].V5.Ti. Fe3C); o mejor conocido como Acero Inoxidable. Sus valores de dureza oscilan entre 210 HB y 500 HB; y sus porcentajes de carbono se encuentran entre 0,89% y 1,89%C. Cuando los materiales contienen alto contenido de carbono, dicho material se endurece por lo que se consideran de alta fragilidad, por tanto, presentan mayor resistencia a la penetración y menor tiempo de incidencia del cuerpo penetrante. Caso contrario cuando el material es de bajo contenido de carbono, el mismo presenta baja resistencia a la penetración y mayor tiempo de incidencia del cuerpo penetrante. En conclusión los materiales de bajo contenido de carbono, conocidos como aceros dúctiles, poseen un tiempo de penetración de 30 segundos, mientras que los materiales de alto contenido de carbono, conocidos como aceros aleados requieren de 10 segundos de penetración. Normalmente para los materiales no ferrosos el comportamiento mecánico es el mismo en cualquier condición y su variación en el tiempo de penetración, va de acuerdo con los elementos aleados que se les haya agregado.

Los ensayos Brinell no se utilizan para durezas superiores a 500 HB, por que se deforman las bolas. El límite superior de la escala puede aumentarse al usar una bola de carburo de tungsteno en vez de una bola de acero endurecido. En ese caso, es posible llegar a 650 HB aproximadamente. TABLA Nº 1 EQUIVALENCIAS ENTRE DUREZAS BRINELL, ROCKWELL, VICKERS Y SHORE Y LA RESISTENCIA, A LA TRACCION BRINELL

ROCKWELL

Bola 10 mm con 3000 kg

"C" "B" Carga de 150 Carga de 100 kg y Cono de kg y bola de Diamante de 1/16" 120º

Diámetro de la huella en mm

Dureza

2.05 2.10 2.15 2.20 2.25 2.30 2.35 2.40 2.45 2.50 2.55 2.60 2.65 2.70 2.75 2.80 2.85 2.90 2.95 3.00 3.05 3.10 3.15 3.20 3.25 3.30 3.35 3.40 3.45 3.50 3.55 3.60 3.65 3.70 3.75 3.80 3.85 3.90 3.95 4.00

898 857 817 780 745 712 682 653 627 601 578 555 534 514 495 477 461 444 429 415 401 388 375 363 352 341 331 321 311 302 293 285 277 269 262 255 248 241 235 229

70 68 66 64 62 60 58 57 55 53 52 50 49 47 46 45 44 42 41 40 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 26 25 24 23 22 21

120 119 119 117 117 116 115 115 114 113 112 112 110 110 109 109 108 108 107 106 105 104 104 103 102 102 100 99 98

R VICKERS

SHORE

1,150 1,050 960 885 820 765 717 675 633 598 567 540 515 494 472 454 437 420 404 389 375 363 350 339 327 316 305 296 287 279 270 263 256 248 241 235 229

106 100 95 91 87 84 81 78 75 72 70 67 65 63 61 59 57 55 54 52 51 49 48 46 45 44 43 42 40 39 38 37 37 36 35 34 33

Kg por mm²

246 235 227 218 208 200 193 184 177 170 164 159 154 149 144 138 133 128 124 120 116 113 109 106 103 100 98 95 92 90 88 86 84 82 80

BRINELL

ROCKWELL

Bola 10 mm con 3000 kg

"C" "B" Carga de 150 Carga de 100 kg y Cono de kg y bola de Diamante de 1/16" 120º

Diámetro de la huella en mm

Dureza

4.05 4.10 4.15 4.20 4.25 4.30 4.35 4.40 4.45 4.50 4.55 4.60 4.65 4.70 4.75 4.80 4.85 4.90 4.95 5.00 5.05 5.10 5.15 5.20 5.25 5.30 5.35 5.40 5.45 5.50 5.55 5.60 5.65 5.70 5.75 5.80 5.85 5.90 5.95 6.00

223 217 212 207 202 197 192 187 183 179 174 170 166 163 159 156 153 149 146 143 140 137 134 131 128 126 124 121 118 116 114 112 109 107 105 103 101 99 97 95

20 18 17 16 15 13 12 10 9 8 7 6 4 3 2 1

97 96 96 95 94 93 92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 80 79 78 77 76 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64 62 61 60 59 57 56

R VICKERS

SHORE

223 217 212 207 202 197 192 187 183 179 174 170 166 163 159 156 153 149 146 143 140 137 134 131 128 126 124 121 118 116 114 112 109 107 105 103 101 99 97 95

32 31 31 30 30 29 28 28 27 27 26 26 25 25 24 24 23 23 22 22 21 21 21 20 20

Kg por mm²

78 75 73 71 70 68 67 66 64 63 61 60 59 58 56 55 54 53 52 51 50 49 48 47 46 45 44 44 43 42 41 40 39 38 37 37 36 36 35 34

2.7.

DATA TECNICA DEL ENSAYO

A nivel internacional todos los ensayos deben ser especificado bajo una lengua universal, donde la denominación de los ensayos se efectúa mediante la siguiente técnica: 𝑫𝑻 = 𝑴𝑬 𝑫 𝑷/𝒕𝑷 Donde: M.E. = D = P = tp =

(1.3)

Método de Ensayo Aplicado Diámetro del Penetrador Carga Aplicada Tiempo de Penetración

Ejemplo: Una muestra que ha sido analizada mediante los ensayos de dureza Brinell, fue identificada con la siguiente denotación: D.T. = HB (10 / 3.000 / 30) La lectura de la denotación especifica lo siguiente: “Se realizó un ensayo de dureza mediante el método Brinell, con un penetrador de bola de acero templado de 10 mm, aplicando una carga de 3.000 kg, durante un tiempo de penetración de 30 segundos”. Adicionalmente cada data técnica debe expresar, los valores de durezas obtenidos con sus respectivos rangos, así como también el coeficiente del material que se ensaya. La finalidad del coeficiente, es debido a que a nivel internacional el valor expresa lo mismo, sin necesidad de aprender un lenguaje nuevo. Ejemplo: Una fabrica de conexiones de acero al carbono, ubicada en Venezuela envía hacia Japón 2.500 cajas de conexiones con 1.500 piezas por cajas. Al llegar al sitio de envió, el departamento de Control de Calidad realizó planes de muestreo para evaluar las conexiones. El reporte de Calidad de fabricación establece la siguiente información: D.T. = HB (10 / 3.000 / 30) NHB = 195 HB ± 10 puntos (185 HB – 205 HB) K = 30 A continuación se establecen como orientación, los valores de dureza Brinell de algunos materiales. TABLA Nº 5 DUREZA PROMEDIO DE ALGUNOS MATERIALES DESCRIPCIÓN DE MATERIALES

DUREZA BRINELL APROXIMADA

Acero de Herramientas Templadas [Aceros Aleados]

500 HB

Acero duro (0.80% de Carbono) [Aceros Ordinarios]

210 HB

Acero dulce (0.10% de Carbono) [Acero Suave o Ductil]

110 HB

Bronce

100 HB

Latón

50 HB

Aluminio

25 a 30 HB

En la tabla Nº 5, podemos ver las diferentes tipos de dureza máximas y mínimas de cada material en forma referencia. Para el caso de los Aceros para Herramientas Templadas, su dureza máxima es de 500 HB, y su dureza mínima es de 210 HB. Para determinar la dureza mínima como referencia, se debe tomar el valor máximo del material que le sigue, ya que dichos materiales están colocados de forma tal que cada uno se organiza según su numero de dureza.

2.8.

RELACION ENTRE DUREZA BRINELL & LA RESISTENCIA A LA TRACCION APROXIMADA

La resistencia de un acero, puede obtenerse de una manera aproximada, multiplicando el número Brinell por un factor que varia según el material ( Ver Tabla Nº 6). Dicha relación se especifica según la siguiente formula: 𝑹𝑨𝑨 = 𝒇𝒓 × 𝑯𝑩

(1.4)

Donde: R.A.A. = HB = fr =

Resistencia a la Atracción Aproximada Número de Dureza Brinell Factor de Relación de cada Material (Factor de Tracción)

Esta formula es valida solo para durezas hasta 400 Brinell. TABLA Nº 6 FACTORES PARA EL CALCULO DE LA RESISTENCIA A LA TRACCIÓN APROXIMADA PARTIENDO DEL NUMERO DE DUREZA BRINELL DESCRIPCIÓN DEL MATERIAL COEFICIENTE O FACTOR DE TRACCION Acero al Carbono

0.36

Acero Aleado

0.34

Cobre y Bronce

0.40

Latones

0.23

Aluminio y Plomo

0.15

2.9.

CALCULO DE PORCENTAJE DE CARBONO

También puede obtenerse aproximadamente el contenido de carbono de un acero, si se conoce la dureza Brinell, mediante la formula:

%𝑪 =

𝑯𝑩−𝟖𝟎 𝟏𝟒𝟏

(1.5)

Mediante los valores obtenidos del %C, se puede identificar y clasificar el material que se ensaya, utilizando las Tablas Nº 7 y 8, en las cuales aparecen los tipos de aceros comerciales mas utilizados a nivel industrial.

2.10. DESCRIPCION DEL METODO BRINELL El aparato mas elemental consiste en una prensa mediante la cual se aplica la carga correspondiente (Figura N° 10). Después por medio de una regla graduada o microscopio portátil (Figura N° 8), provisto también de un retículo graduado o lente inferior, se mide el diámetro de huella, que la bola ha dejado en el material, y mediante la formula o la tabla Nº 1, se halla el número Brinell.

Figura Nº 10. Maquina de Ensayos Brinell

Si la huella resulta ovalada, se toma la medida de los diámetros externos. Durante la ejecución del ensayo Brinell, debe cuidarse lo siguiente:   

La superficie de la pieza debe estar limpia, que sea perfectamente plana, lineal, normal al eje de aplicación de la carga y lo mas homogénea posible. El espesor de la pieza sea, por lo menos, el doble del diámetro de a huella. La distancia del centro de la huella al borde de la pieza sea, por menos, cuatro veces el diámetro de huella.

2.11. IDENTIFICACION Y CLASIFICACION DEL MATERIAL Los materiales normalmente tienen una forma características de poder ser identificados dependiendo de sus componentes y propiedades, que generalmente son las propiedades mecánicas, quienes presentan los elementos necesarios para que este material sea identificado. Existen muchas normas que contribuyen a la identificación de un material, tales como las normas ASTM, AISI, SAE, ASME, SAE, FIOR, DIN, JIS, JIN y por su puesto las Normas COVENIN, entre otras. En nuestro caso las normas que mas son utilizadas son las normas AISI/SAE, ya que son las universalmente mantienen las características principales de los materiales bien definidas basados en las industrias internacionales. Para la identificación y clasificación de un material se hace necesario la utilización de las tablas Nº 7 y 8, quienes establecen la composición química de la gran mayoría de los materiales utilizados industrialmente. La tabla Nº 7, establece la composición química de los aceros al carbono, mientras que la tabla Nº 8 establece la composición química de los aceros aleados. Dichas tablas pueden ser leídas de izquierda a derecha, en donde se puede ver que inicia con la identificación del material mediante la norma AISI y la ultima columna identifica el material con la norma SAE; aunque las normas son diferentes, las mismas identifican al material de la misma manera.

La primera columna de izquierda a derecha, aparece el tipo de material. Para iniciar la identificación y clasificación de un material se debe tener en cuenta las identificación de la nominación de los mismos; para iniciar se debe mantener la siguiente regla:    

Norma que identifica el material Grupo al cual pertenece Subgrupo al cual pertenece %C promedio

Su presentación es de la siguiente forma: Norma + grupo + subgrupo + %C promedio

AISI/SAE

“C”

10

10

El rango del carbono que se tiene esta entre 0.08% y 0.13%. La identificación del material quedaría de la siguiente manera: AISI/SAE C-1010 Cuando un material no se conoce, pero se tiene el % de carbono promedio, se puede identificar el tipo de material a través de la columna del carbono.

TABLA Nº 7 ESPECIFICACIONES DE ACEROS AL CARBONO COMERCIALES REPRESENTATIVOS Num. AISI

%C

% Mn

% P max

% S max

Num. SAE

ACEROS AL CARBONO C1010

0.08 - 0.13

0.30 - 0.60

0.04

0.05

1010

C1015

0.13 - 0.18

0.30 - 0.60

0.04

0.05

1015

C1020

0.18 - 0.23

0.30 - 0.60

0.04

0.05

1020

C1025

0.22 - 0.28

0.30 - 0.60

0.04

0.05

1025

C1030

0.28 - 0.34

0.60 - 0.90

0.04

0.05

1030

C1035

0.32 - 0.38

0.60 - 0.90

0.04

0.05

1035

C1040

0.37 - 0.44

0.60 - 0.90

0.04

0.05

1040

C1045

0.43 - 0.50

0.60 - 0.90

0.04

0.05

1045

C1050

0.48 - 0.55

0.60 - 0.90

0.04

0.05

1050

C1055

0.50 - 0.60

0.60 - 0.90

0.04

0.05

1055

C1060

0.55 - 0.65

0.60 - 0.90

0.04

0.05

1060

C1065

0.60 - 0.70

0.60 - 0.90

0.04

0.05

1065

C1070

0.65 - 0.75

0.60 - 0.90

0.04

0.05

1070

C1075

0.70 - 0.80

0.50 - 0.80

0.04

0.05

1075

C1080

0.75 - 0.88

0.60 - 0.90

0.04

0.05

1080

C1085

0.80 - 0.93

0.70 - 1.00

0.04

0.05

1085

C1090

0.85 - 0.98

0.60 - 0.90

0.04

0.05

1090

C1095

0.90 - 1.03

0.30 - 0.50

0.04

0.05

1095

ACEROS DE MAQUINADO LIBRE B1112

0.13 max

0.70 - 1.00

0.07 - 0.12

0.16 - 0.23

1112

B1113

0.13 max

0.70 - 1.00

0.07 - 0.12

0.24 - 0.33

1113

C1110

0.08 - 0.13

0.30 - 0.60

0.04

0.08 - 0.13

C1113

0.10 - 0.16

1.00 - 1.30

0.04

0.24 - 0.33

C1115

0.13 - 0.18

0.60 - 0.90

0.04

0.08 - 0.13

1115

C1120

0.18 - 0.23

0.70 - 1.00

0.04

0.08 - 0.13

1120

C1137

0.32 - 0.39

1.35 - 1.65

0.04

0.08 - 0.13

1137

C1141

0.37 - 0.45

1.35 - 1.65

0.04

0.08 - 0.13

1141

C1212

0.13 max

0.70 - 1.00

0.07 - 0.12

0.16 - 0.23

1212

C1213

0.13 max

0.70 - 1.00

0.07 - 0.12

0.24 - 0.33

1213

C12L14†

0.15 max

0.80 - 1.20

0.04 - 0.09

0.25 - 0.35

12L14†

 Letras prefijos AISI: B = Aceros al Carbono Bessemer ácido: C = Aceros al Carbono básico de hogar abierto.  † Plomo, de 0.15 a 0.35% Algunas veces, los aceros se clasifican con base en el amplio rango de contenido de carbono como sigue:  Acero de bajo contenido de carbono: 0.008% hasta 0.25% C  Aceros de medio contenido de carbono: 0.25% hasta 0.55% C  Aceros de alto contenido de carbono: 0.55% hasta 0.89% C

TABLA Nº 8 ESPECIFICACIONES DE ACEROS ALEADOS REPRESENTATIVAS Nº AISI

%C

% Mn

% Ni

% Cr

% Mo

%V

Nº SAE

TIPO

1330 1340 2317 2330 E2512 2515 3115 3130 3140 E3310 4023 4037 4419 4118 4130 4140 4150 4320 4340 4720 4620 4626 4820 5120 5130 5140 5150 E52100 6118 6150 8620 8630 8640 8720 8740 8822

0.28 - 0.33 0.38 - 0.43 0.15 - 0.20 0.28 - 0.33 0.09 - 0.14 0.12 - 0.17 0.13 - 0.18 0.28 - 0.33 0.38 - 0.43 0.08 - 0.13 0.20 - 0.25 0.35 - 0.40 0.18 - 0.23 0.18 - 0.23 0.28 - 0.33 0.38 - 0.43 0.48 - 0.53 0.17 - 0.22 0.38 - 0.43 0.17 - 0.22 0.17 - 0.22 0.24 - 0.29 0.18 - 0.23 0.17 - 0.22 0.28 - 0.33 0.38 - 0.43 0.48 - 0.53 0.95 - 1.100 0.16 - 0.21 0.48 - 0.53 0.18 - 0.23 0.28 - 0.33 0.38 - 0.43 0.18 - 0.23 0.38 - 0.43 0.20 - 0.25

1.60 - 1.90 1.60 - 1.90 0.40 - 0.60 0.60 - 0.80 0.45 - 0.60 0.40 - 0.60 0.40 - 0.60 0.60 - 0.80 0.70 - 0.90 0.45 - 0.60 0.70 - 0.90 0.70 - 0.90 0.45 - 0.65 0.70 - 0.90 0.40 - 0.60 0.75 - 1.00 0.75 - 1.00 0.45 - 0.60 0.60 - 0.80 0.50 - 0.70 0.45 - 0.60 0.45 - 0.65 0.50 - 0.70 0.70 - 0.90 0.70 - 0.90 0.70 - 0.90 0.70 - 0.90 0.25 - 0.45 0.50 - 0.70 0.70 - 0.90 0.70 - 0.90 0.70 - 0.90 0.75 - 1.00 0.70 - 0.90 0.75 - 1.00 0.75 - 1.00

……. ……. 3.25 - 3.75 3.25 - 3.75 4.75 - 5.25 4.75 - 5.25 1.10 - 1.40 1.10 - 1.40 1.10 - 1.40 3.65 - 3.75 ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. 1.65 - 2.00 1.65 - 2.00 0.90 - 1.20 1.20 - 1.65 0.70 - 1.00 3.25 - 3.75 ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. 0.40 - 0.70 0.40 - 0.70 0.40 - 0.70 0.40 - 0.70 0.40 - 0.70 Si

……. ……. ……. ……. ……. ……. 0.55 - 0.75 0.55 - 0.75 0.55 - 0.75 1.40 - 1.75 ……. ……. ……. 0.40 - 0.60 0.80 - 1.10 0.80 - 1.10 0.80 - 1.10 0.40 - 0.60 0.70 - 0.90 0.35 - 0.55 ……. ……. ……. 0.70 - 0.90 0.80 - 1.10 0.70 - 0.90 0.70 - 0.90 1.30 - 1.60 0.50 - 0.70 0.80 - 1.10 0.40 - 0.60 0.40 - 0.60 0.40 - 0.60 0.40 - 0.60 0.40 - 0.60 0.40 - 0.60

……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. 0.20 - 0.30 0.20 - 0.30 0.45 - 0.60 0.08 - 0.15 0.15 - 0.25 0.15 - 0.25 0.15 - 0.25 0.20 - 0.30 0.20 - 0.30 0.15 - 0.25 0.20 - 0.30 0.15 - 0.25 0.20 - 0.30 ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. 0.15 - 0.25 0.15 - 0.25 0.15 - 0.25 0.20 - 0.30 0.20 - 0.30 0.20 - 0.40

……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. 0.12 0.15 ……. ……. ……. ……. ……. …….

1330 1340 2317 2330 ……. 2515 3115 3130 3140 E3310 4023 4037 4419 4118 4130 4140 4150 4320 4340 4720 4620 4626 4820 5120 5130 5140 5150 52100 6118 6150 8620 8630 8640 8720 8740 8822

Aceros al Mn Aceros al 3% de Ni Aceros al 5% de Ni

9260

0.56 - 0.64 0.75 - 1.00

1.80 - 2.20 Ni

…….

…….

…….

9260

E9310 9840 9850

0.08 - 0.13 0.45 - 0.65 0.38 - 0.43 0.70 - 0.90 0.48 - 0.53 0.70 - 0.90

3.00 - 3.50 0.85 - 1.15 0.85 - 1.15

1.00 - 1.40 0.08 - 0.15 0.70 - 0.90 0.20 - 0.30 0.70 - 0.90 0.20 - 0.30

……. ……. …….

9310 9840 9850

94B30

0.48 - 0.53 0.70 - 0.90

0.85 - 1.15

0.70 - 0.90 0.20 - 0.30

…….

94B30

Aceros al Ni - Cr Aceros al Molibdeno Aceros al Cr - Mo Aceros al Cr-Ni-Mo Aceros al Ni - Mo

Aceros al Cromo Aceros al Cr - V Aceros al Bajo Ni-Cr-Mo Aceros al Silicio Aceros al Alto Ni-Cr-Mo Aceros al Boro

Cuando existan dos o mas identificaciones que contenga el porcentaje de carbono promedio, se debe escoger el primero de arriba hacia a bajo.

2.12. FACTOR DE SEGURIDAD Todos los fabricantes cuando se encuentran en proceso de diseño de los diversos tipos de materiales conforman los factores de seguridad, los cuales predeterminan el tiempo de vida útil de cada pieza o material en la fase uso operación. Normalmente los valores de resistencia a la tracción obtenidos a través de ensayos de tracción, son los considerados valores de diseño (VD); y en función de ellos se determinan los valores de trabajo u operación (VT). Estos valores luego que son determinados se comparan con las especificaciones emanadas por los usuarios verificando si son adecuados para ser utilizados en ciertos trabajos. Para el cálculo de los valores de trabajo u operación se fundamente en la siguiente expresión:

𝑽𝒕 =

𝑽𝑫 𝑭𝑺

(1.6)

Donde Fs, representa el factor de seguridad de fabricación. La mayoría de los productos representan estos valores en forma de presión (lbs./plg2) o (kg/mm2), lo cual también es verdadero. Ejercicios Resueltos: Durante la Inspección de un tanque de Acero para almacenamiento de crudo se pudieron obtener cinco (5) medidas de espesores, medidos mediante la utilización de equipos de ultrasonido. Las medidas que se obtuvieron son como se muestra en la figura.

Anillo 1 Anillo 2 Anillo 3 Anillo 4 Anillo 5

Los espesores arrojaron los siguientes valores: Anillo 1: 6.35mm, 6.05mm, 7.42mm, 8.15mm Anillo 2: 5.19mm, 5.12mm, 2.03mm, 3.15mm Anillo 3: 1.17mm, 1.14mm, 8.95mm, 6.45mm Anillo 4: 4.13mm, 5.24mm, 0.13mm, 2.15mm Anillo 5: 2.05mm, 2.15mm, 2.48mm, 12.85mm

Partiendo de los datos antes mencionados determine: a. Patrones de ensayos de dureza b. Valores de dureza en los métodos Brinell, Rockwell, Vickers y Shore c. % de Carbono d. Valor de la Resistencia a la Tracción Aproximada e. Identificación y Clasificación del Material f. Data Técnica del Ensayo g. Valor de fluencia, tomando en cuenta que Vf = 0.25% del esfuerzo máximo de diseño h. Explique si este equipo puede soportar una presión de trabajo de 3.500 Lbs./Plg2, tomando en cuenta que el factor de seguridad es de 1.35 i. Especifique si el material ensayado es dúctil o frágil SOLUCIÓN: Para iniciar la solución de esta problema, se debe sacar los valores promedio de dureza que se presentan en cada anillo.

Anillo 1: 6.35mm, 6.05mm, 7.42mm, 8.15mm = 6.99 mm Anillo 2: 5.19mm, 5.12mm, 2.03mm, 3.15mm = 3.87 mm Anillo 3: 1.17mm, 1.14mm, 8.95mm, 6.45mm = 4.43 mm Anillo 4: 4.13mm, 5.24mm, 0.13mm, 2.15mm = 2.91 mm Anillo 5: 2.05mm, 2.15mm, 2.48mm, 12.85mm = 4.88 mm Posteriormente se suma los tales y saca un valor promedio del tanque, a través de la siguiente formula: 𝑉𝑃𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 1 + 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 2 + 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 3 + 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 4 + 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 5 + 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑛! 𝑁º 𝑑𝑒 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒𝑠

Promedio = 6.99 + 3.87 + 4.43 + 2.91 + 4.88 = 4.62 mm 5 Calculado el Valor promedio de los espesores, entonces se comienza a dar solución a cada una de las interrogantes planteadas. a. Patrones de ensayos de dureza. Tomando en cuenta el valor obtenido, no se puede utilizar la tabla Nº 1, ya que la misma solo puede utilizarse cuando estén presentes los valores Estándar; en consecuencia se utiliza la tabla Nº 2, para establecer el renglón en el cual se encuentra. Como el valor se encuentra ubicado entre espesores 6 a 3 mm, entonces se escoge el renglón 2. Para este renglón el penetrador es Bola de 5 mm de diámetro, este valor se hace coincidir con la columna 30D2, el cual nos ayuda a determinar exactamente la carga máxima que se debe utilizar para el ensayo. Según la tabla Nº 2 el valor de la carga es de 750 kg. Si se quiere asegurar sobre el valor escogido, simplemente se realiza la ecuación 1.2, la cual expresa: 𝑷 = 𝑲 × 𝑫𝟐 Sustituyendo valores en ecuación: P = 30 x (5)2 = 750 kg. Los valores de K, se expresan en la tabla Nº 3, mientras que el valor de D, se ubica en la tabla Nº 2, segundo renglón. Para este momento se tiene que: P= 750 kg. D=5 mm mm d= (1/3)x(5)= 1.67 mm

Tipo de Material= Acero

eprom. = 4.62

Solo estaría faltando el tiempo de penetración, para lo cual se hace necesario determinar si el acero es al carbono o aleado. b. Valores de dureza en los métodos Brinell, Rockwell, Vickers y Shore. Para determinar el Valor de Dureza en Brinell se Utiliza la ecuación Nº 1.1, la cual se expresa de la siguiente manera: 𝟐𝑷 𝑵𝑯𝑩 = 𝝅 × 𝑫 𝑫 − 𝑫𝟐 − 𝒅𝟐 Sustituyendo valores se tiene que:

2 ×750 kg

NHB = π× 5

5− (5)2 − (1.67)2

= 333 HB

Como el valor de dureza se encuentra por encima de 210 HB, el material se considera aleado, por lo que el tiempo de penetración es de 10 segundos. Los valores de dureza en los métodos Rockwell, Vickers y Shore, no aplican, ya que no se puede utilizar la tabla Nº 1. c. Porcentaje de Carbono. El % de carbono puede calcularse mediante la ecuación Nº 1.5, la cual se expresa de la siguiente manera: 𝑯𝑩 − 𝟖𝟎 %𝑪 = 𝟏𝟒𝟏 %𝐶 =

333 𝐻𝐵−80 141

= 1.79% de Carbono.

Este Valor nos ratifica el acero utilizado es de tipo aleado, ya que estos materiales poseen valores que oscilan entre 0.89% y 1.89% de Carbono. d. Valor de Resistencia a la Tracción Aproximada. Para el calculo de la resistencia se toma en cuenta la ecuación Nº 1.4, la cual se expresa de la siguiente manera: 𝑹𝑨𝑨 = 𝒇𝒓 × 𝑯𝑩 Sustituyendo valores nos queda que: 𝑅𝐴𝐴 = 0.34 × 333 𝐻𝐵 = 113,22 kg/mm2 El valor de fr, representado por 0.34 de los aceros aleados, se encuentra tabulado en la tabla Nº 6 e. Identificación y Clasificación del Material. En esta sección se identifica el material colocándoles el nombre técnico que le corresponde de acuerdo a las tablas Nº 7 y 8, dependiendo del tipo de material analizado. El material que se esta estudiando es un acero aleado, por lo que se escoge la tabla Nº 8, y la clasificación se realiza de acuerdo al porcentaje de carbono obtenido. En este caso el % de carbono es de 1.79%, si se ubica dentro de la tabla Nº 8, en los rangos de la columna de carbono, se puede visualizar una rango entre 0.95 y 1.100, por lo tanto el material se clasifica como AISI/SAE E-52100 f.

Data Técnica del Ensayo. La Data técnica como lenguaje universal se puede expresa de acuerdo a la expresión Nº 1.3, la cual se describe de la siguiente manera: 𝑫𝑻 = 𝑴𝑬 𝑫 𝑷/𝒕𝑷 Sustituyendo valores, nos queda: 𝐷𝑇 = 𝐻𝐵 5 750/10 𝑁𝐻𝐵 = 333 𝐻𝐵 ± 10 𝑝𝑡𝑜𝑠 323 − 343 Kt = 30

g. Valor de Fluencia. El valor de fluencia representa el máximo punto del limite elástico que tiene dicho material, antes de pasar a ser plástico, para lo cual se debe determinar el máximo valor de fluencia mediante la expresión. 𝑽𝒇 = % 𝒅𝒆 𝑹𝒆𝒅𝒖𝒄𝒄𝒊ó𝒏 × 𝑽𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒅𝒆 𝑫𝒊𝒔𝒆ñ𝒐 𝑉𝑓 = 0.25% × 113,22 =0.283 kg/cm2 h. Resistencia máxima que puede soportar el material Se requiere saber si este tanque puede soportar una presión de trabajo de 3.500 Lbs./plg2; por lo que se hace necesario evaluar los valores obtenidos para determinar la máxima resistencia. Se transforma las 3.500 lbs./plg2 en kg/cm2 1 lb ======== 0.453 kg (1 plg)2 ===== (25.4 mm)2 3.500 lbs ==== 1.585,50 kg. 1 plg2 ====== 645.16 mm2 La formula de presión se expresa de la siguiente manera: 𝑷 = 𝑃 =

1.585,50 𝑘𝑔 645,16 𝑚𝑚 2

𝑭 𝑨

= 2,46 kg/mm2

La resistencia a la tracción es de 113,22 kg/mm2, si se toma en cuenta el factor de seguridad, el cual esta representado por 1,35; entonces la máxima presión a la cual debe ser sometido el material esta de acuerdo con la expresión 1.6: 𝑉𝑡 = 𝑉𝑡 =

113,22 𝑘𝑔 𝑚𝑚 2 1.35

𝑉𝐷 𝐹𝑆 = 83,87 kg/mm2

Conclusión: La presión máxima a la que va a ser sometido el material esta representado por 2,46 kg/mm2, mientras que la presión máxima que puede soportar el material es de 83,87 kg/mm2; por lo tanto este material esta condiciones de seguir trabajando, ya que puede soportar la presión a la que va a ser sometido. Aclaratoria: existen puntos en el tanque en donde los espesores, se encuentran por debajo de lo aceptables; y en el caso que se les realice un análisis general a la zona se podrá dar cuenta que el material no puede trabajar y debe ser reemplazado; por lo menos los puntos que tienen bajos espesores. i.

Especifique si el material es dúctil o frágil Debido a que el material se considera aleado, determinado por los diversos valores que se han calculado, entonces se puede decir que el material es frágil.

2.13. METODO ROCKWELL Este método se basa también en la resistencia que oponen los metales a ser penetrados; pero en lugar de determinar la dureza del material en función del diámetro de huella que deja el cuerpo penetrante, se determina en función de la profundidad de la huella. Los cuerpos penetrantes son: Un diamante en forma de cono de 120º ± 1º, con una punta redondeada (Figura N° 11), con radio de 0.2 ± 0.01 mm, que se denomina también penetrador “BRALE”, y las bolas de acero templado de 1/8” y 1/16”; también se utilizan aunque con menos frecuencia las bolas de ½” y de ¼”. Se utilizan cargas de 60, 100 y 150 kg, para materiales gruesos de 6 mm de espesor en adelante, y de 15, 30 y 45 kg, para materiales delgados con espesores de 6 mm hacia abajo. PENETRADOR DE DIAMANTE ESTERO CONICO

Profundidad a la que es forzado el penetrador por la carga menor de 10 kg

Profundidad a la que es forzado el penetrador por la carga mayor de 150 kg

Incremento en profundidad debido al incremento de carga

Figura N° 11. Penetrador Brale

En total existen veintiuna escalas para veintiuna combinaciones de penetradores y cargas, que se dan según la Tabla Nº 9.

2.14. MANEJO DEL EQUIPO ROCKWELL En la prueba de dureza Rockwell, se utiliza un instrumento de lectura directa basado en el principio de medición de profundidad diferencial. La prueba se lleva a cabo al elevar la muestra lentamente contra el marcador hasta que se ha aplicado una carga determinada menor. Esto se indica en el disco del Dial o comparador o medidor. Luego se aplica una carga mayor a través de un sistema de palanca de carga o aplicador de carga. Después de que la aguja o indicador superior llega al reposo, se quita la carga mayor y con la carga todavía en acción, el número de dureza Rockwell es leído directamente en el Dial. Como el orden de los números se invierte en el Dial, una impresión poco profunda en un material duro dará un número grande en tanto que una impresión profunda en un material blando dará un número pequeño. El funcionamiento de la maquina debe ser verificado frecuentemente con bloques de prueba estándar proporcionados por el fabricante. El método Rockwell se divide en dos tipos de pruebas. Las pruebas Normales que se aplican a materiales con espesores de 6 mm en adelante y las pruebas superficiales aplicables a materiales con espesores de 5.99 mm hacia a bajo. El tiempo de penetración para cualquier tipo de material, en cualquier condición y para cualquier espesor es de 10 segundos.

2.15. DESCRIPCION DEL DESARROLLO DEL METADO ROCKWELL Se utilizará una maquina Universal Rockwell para medir materiales gruesos, utilizando para ello las escalas A, B, C, D, E, F, G, H, K, L, M, P, R,S y V . También se utilizarán maquinas con escalas de 15N, 30N, 45N, 15T, 30T y 45T. Ambas maquinas llevan un reloj o comparador conocido con el nombre de Dial, el cual lleva una escala con números negros (Identificada con la letra C), para las mediciones realizadas con punta de diamante ó penetrador Brale, y otra escala con los números rojos (Identificada con la letra B), para las mediciones realizadas con las bolas de acero templado. La escalas Rockwell empleadas mas comúnmente son la “A” (Marcador de diamante) y 60 kg), la “B” (Marcador de bola de 1/16” y 100 kg de carga) y la “C” (Marcador de diamante y 150 kg de carga), para estas escalas se establecen los siguientes rangos de dureza.   

Escala “A” : 20-56 HRA Escala “B” : 56 – 110 HRB Escala “C” : 20 – 78 HRC

Cuando un material se considera desconocido, o sea, no se tiene conocimiento de su origen o su fabricación, ni su identificación, la prueba debe iniciarse en la escala “B”, por considerarse una escala universal, para lo cual debe tomarse en cuenta dos condiciones: A. Si los valores de dureza se encuentran por debajo de 56 HRB, se debe calibrar la maquina en la escala “A”. B. Si por el contrario los valores de dureza se encuentran por encima de 110 HRB, se debe calibrar la maquina en la escala “C”. Las cargas se aplican en dos tiempos, primero se aplica una carga de 10 kg., colocando a continuación el indicador inferior en forma vertical, luego el reloj del Dial se mueve hasta colocar el indicador superior en forma paralela a la demarcación cero (C0). Al momento de estar colocados los indicadores en sus condiciones de ensayo, se dice que el equipo se encuentra calibrado para la aplicación del mismo. Posteriormente se acciona el aplicador de carga el cual proporciona el resto de la carga acondicionada para el ensayo. Ejemplo si el equipo es acondicionado para aplicar una carga de 100 kg, primero se calibra la maquina con 10 kg, y cuando se acciona el aplicador de carga se inciden los 90 kg restantes. Se retira después la carga adicional, o sea, los 90 kg., en el ejemplo descrito, y la profundidad a la que queda el penetrante es la que se toma para calcular la dureza.

2.16. PARTES DEL DUROMETRO WILSON ROCKWELL UNIVERSAL Las partes del durómetro Rockwell Universal se describen a continuación: 

Comparador ó Dial; el cual esta formado por: a) b) c) d)

Indicador Inferior (Establece la Incidencia de la carga mínima) Indicador Superior (Establece la Calibración del equipo y los valores de dureza) Escala negra, cuando se ensaya materiales con penetrador Brale Escala roja, cuando se ensaya materiales con penetradores de bola.

       

Porta Penetrador Porta Muestra Cuello de Cisne Carro del Cuello de Cisne Carro del Dial Aplicador de Carga Selector de Carga Swich (Encendedor)

2.17. ESPESORES Y CIFRAS DE LAS PIEZAS ENSAYADAS El espesor mínimo requerido que deben tener las piezas o probetas para que no resulte falseada la lectura por deformación, es la siguiente: Ǿ 20 / 25 mm

20 / 25 mm

20/25 mm 10/15 mm

10/15 mm

Muestras Circulares Muestra Cuadrada Respecto a la forma de las piezas, pueden ser de dos tipos: Cilíndricas o Cuadradas.

2.18. VENTAJAS DEL METODO ROCKWELL Este método es muy rápido, pudiendo realizar el ensayo operarios no especializados. Además las huellas son mas pequeñas que en el método Brinell . Tiene el inconveniente de que si el material no asienta perfecta mente sobre la base, las medidas resultan erróneas.

2.19. METODO VICKERS El ensayo del método Vickers se deriva directamente del método Brinell, empleándose actualmente en los laboratorios, para piezas delgadas y templadas, con espesores mínimos hasta de 0,2 mm. En el método Vickers se utiliza como cuerpo penetrante una punta piramidal de base cuadrada y ángulo en el vértice, entre caras, de 136º, con precisión obligada de 20 segundos (Figura N° 11). Este ángulo se eligió para que la bola de Brinell quedase circunscrita al cono en el borde de la huella, cuyo diámetro, se procura que sea aproximadamente igual a 0.375 D. La dureza Vickers se encuentra por la relación entre la carga citada y la superficie de la huella, como en el método Brinell, y, por tanto, se corresponde con éste hasta unas 300 unidades de durezas (Figura N° 12). Para durezas mas elevadas, la bola de Brinell se deforma, y la divergencia entre Brinell y Vickers es cada vez mayor. El ensayo Brinell como ya se ha dicho no debe aplicarse para medir durezas superiores a 500 HB.

TABLA Nº 9 ESCALAS DE DUREZA ROCKWELL Tipo de Prueba

Tipo y Carga menor Carga mayor tamaño del en Kg. en Kg. Penetrador

A

Normal

Cono de Diamante

10

60

Negro

Fuera

B

"

Bola de 1/16"

10

100

Rojo

Dentro

C

"

10

150

Negro

Fuera

D

"

10

100

Negro

Fuera

Aceros Cementados

E

"

Bolas de 1/8"

10

100

Rojo

Dentro

Materiales blandos como antifricción y piezas fundidos

F

"

Bola de 1/16"

10

60

Rojo

Dentro

Bronce Recocido

G

"

Bola de 1/16"

10

150

Rojo

Dentro

Bronce Fosforado y otros metales

H

"

Bolas de 1/8"

10

60

Rojo

Dentro

K

"

Bolas de 1/8"

10

150

Rojo

Dentro

L

"

Bolas de 1/4"

10

60

Rojo

Dentro

M

"

Bolas de 1/4"

10

100

Rojo

Dentro

P

"

Bolas de 1/4"

10

150

Rojo

Dentro

R

"

Bolas de 1/8"

10

60

Rojo

Dentro

Materiales muy blandos

S

"

Bolas de 1/8"

10

100

Rojo

Dentro

Materiales muy blandos

V

"

Bolas de 1/8"

10

150

Rojo

Dentro

Materiales muy blandos

15-N

Superficial

3

15

Rojo

Dentro

30-N

"

3

30

Rojo

Dentro

45-N

"

3

45

Rojo

Dentro

15-T

"

3

15

Rojo

Dentro

Bronce, latón y acero blando

30-T

"

3

30

Rojo

Dentro

Bronce, latón y acero blando

45-T

"

3

45

Rojo

Dentro

Bronce, latón y acero blando

Escala Designación

Cono de Diamante Cono de Diamante

Cono de Diamante Cono de Diamante Cono de Diamante Bolas de 1/16" Bolas de 1/16" Bolas de 1/16"

Escala del Comparador Color

Ubicación

Aplicación Aceros nitrurados, flejes estirados en frio. Hojas de afeitar, carburos metálicos (90 - 98 Hra). Aceros al carbono recocidos de bajo contenido en carbono Aceros duros, con dureza superior a 100 Rockwell B o 20 HRc

Materiales blandos, con homogeneidad, fundición hierro. Materiales blandos, con homogeneidad, fundición hierro. Materiales blandos, con homogeneidad, fundición hierro. Materiales blandos, con homogeneidad, fundición hierro. Materiales blandos, con homogeneidad, fundición hierro.

poca de poca de poca de poca de poca de

Aceros nitrurados, cementados y de herramientas de gran dureza. Aceros nitrurados, cementados y de herramientas de gran dureza. Aceros nitrurados, cementados y de herramientas de gran dureza.

D/2

136º 0.375D

Figura Nº 10.

El ángulo de 136º de la punta piramidal Vickers esta elegido para que sea la huella tangente a la de la bola Brinell

La determinación de la dureza Vickers se hace en función de la diagonal de la huella o, mas exactamente, de la media de las dos diagonales medidas con un microscopio en milésimas de milímetro. Partiendo de las simbologías antes presentadas, si P es la carga aplicada, y S es la superficie de la huella, la dureza Vickers será:

𝑯𝑽 =

La superficie será :

𝑷 𝑺

(1.7)

S = 4 x área de una cara

S = 4 x b x OC 2 pero OC = por tanto,

O’C . = b . sen 68º 2 sen 68º

S=4 b x b = b2 . 2 2 sen 68º sen 68º

136º 1 I

D

C O O’

A

b

d

B

b Figura Nº 11. Representación esquemática de la huella que deja la punta piramidal Vickers

Como d = b2 + b2 = 2b2

será

b2 =

1 x d2 2

(d es la diagonal B D)

d2 = d2 . 2 sen 68º 1,854

queda:

S=

Obteniéndose finalmente:

𝑯𝑽 = 𝟏, 𝟖𝟓𝟒 ×

𝑷 𝒅𝟐

(1.7)

DESARROLLO DE LA PRACTICA DE LABORATORIO ENSAYOS DE DUREZA (PRACTICA Nº 1) 1.   

OBJETIVOS

Determinar los valores de dureza, mediante la ejecución de mediciones en puntos aislados de la muestra. Realizar la grafica de comportamiento del material, de acuerdo con los valores obtenidos durante las mediciones. Determinar el tipo, Clasificación e Identificación del Material que se esta ensayando. 2. 2.

a) b) c) d) e) f)

METARIALES Y EQUIPOS

Probeta con dimensiones de 20/25 mm de diámetro y 10/15 mm de espesor. Tabla de Dureza para aceros Brinell Tabla de Características de aplicación de los ensayos Rockwell Equipo de Dureza Rockwell Universal Penetradores: Cono de Diamante, Bolas de 1/16” y 1/8” Vernier. 3.

PROCEDIMIENTOS

1. Se tomará una muestra conocida, sin dimensiones especificas. 2. El material se llevará a la cortadora LECO CM-15, para cortar el mismo y darle a la muestra extraída las especificaciones establecidas. 3. Conocido el material y sus posibles procesos de fabricación, se buscará en la tabla de escalas de dureza Rockwell, en la casilla de aplicaciones. Identificado el material, se tomarán las especificaciones necesarias para el ensayo (escala, tipo de prueba, penetrador, carga menor, carga mayor, escala del comparador). 4. Se encenderá el durómetro Universal Rockwell, calibrándolo con las especificaciones establecidas en la tabla de dureza Rockwell. 5. Se colocará la muestra en el porta muestra, y se le tomarán cinco (5) medidas, distribuidas de la manera siguiente:

Distribución de puntos de Dureza

6. Los valores obtenidos se colocarán en la tabla de datos de dureza correspondiente. Tabla de Dureza Rockwell Puntos Valor HR 1 2 3 4 5 7. Se realizara la sumatoria de los valores de dureza y se procederá a sacar el valor promedio de la misma, tomando en cuenta que el valor obtenido no debe ser decimal. 8. Obtenido el valor de dureza promedio, se dibujará la grafica de comportamiento del material (ver ejemplo), partiendo de las siguientes formulas: Línea Patrón (DP) = Dureza Promedio Línea Superior (LS) = DP * 1.10 Línea Inferior (LI) = DP / 1.10 GRAFICA DE COMPORTAMIENTO Dureza L.S.

D.P.

L.I.

1

2

34

5

ptos.

9. Los resultados obtenidos serán transportados a papel milimetrado, para presentar la grafica en el informe de laboratorio # 1. 10. Adicionalmente se realizaran los cálculos necesarios para obtener: a) Dureza Brinell b) Resistencia a la Tracción Aproximada c) % de Carbono aproximado (Partiendo de la Dureza Promedio) d) Tipo de Material que se analiza e) Identificación y Clasificación del Material f) Data técnica del Ensayo g) Defina si el material es dúctil o frágil.

Nota:

Utilicen las tablas para realizar las estimaciones o cálculos dependiendo de cual sea el caso.

5.

REDACCIÓN DE INFORME TÉCNICO

El informe técnico de laboratorio deberá estar conformado de la siguiente manera:    

Objetivo de la Practica Desarrollo de la Practica Descripción de Resultados Conclusiones.

A continuación se anexa formato modelo para la realización del informa del laboratorio a fin de que el alumno se adapte a la forma de ejecución. 6.

EJERCICIOS DE DUREZA

6.1.

Un tanque de almacenamiento de agua potable, presenta deterioro en sus laminas inferiores, las cuales al aplicarles los ensayos no destructivos (ultrasonido), para medir sus espesores nos da como resultado lo siguiente: e1= 6.35 mm, e2= 5.52 mm, e3= 4.60 mm, e4= 3.68 mm, e5= 2.83 mm, e6= 2.09 mm, e7= 1.49 mm, e8= 1.03 mm, e9= 0.68 mm, e10= 0.45 mm. Determinar: - Patrones del Ensayo - Dureza Brinell - Dureza Rockwell

6.2.

Una fabrica de piezas metálicas fue seleccionada para producir 150 barras de bronce con diámetro de 2-1/2”. Determinar: a) Los patrones de ensayo; b) Nº de Dureza Brinell; c) Nº de Dureza Rockwell, Vickers, Shore y de ser posible Knoop.

6.3.

En un intercambiador de calor se produjo una falla mecánica en la lámina que conforma la carcaza, por efectos de la corrosión. En la zona donde se generó la falla se midieron los espesores dando como resultado un espesor promedio que oscila entre 1.05 mm y 3.05 mm. Determinar: a) Patrones de Ensayo, b) Valores de Dureza en Brinell, c) Nº de dureza en Rockwell y Vickers.

6.4.

Una empresa de construcción tiene asignado la fabricación de un recipiente a presión, que debe tener una dureza de aproximadamente NHB = 215 HB. Determinar: a) espesor de la lamina que conforma la carcaza de dicho equipo; b) los patrones de ensayo utilizados para determinar su dureza.

6.5.

La punta de eje de las ruedas traseras de un automóvil, presentó una fractura en forma transversal, trayendo como consecuencia la separación de dicha barra en dos partes. Cuando se tomaron las mediciones de dureza tanto en la zona dañada como en la zonas sanas, se obtuvo un valor promedio de 115HB. Determinar: a) diámetro de la punta de eje; b) patrones de ensayos utilizados para la medición de la dureza.

6.6.

Una tubería que conduce un fluido volátil, y con espesor de 7.35 mm como promedio, presentó una fuga de dicho fluido. Determinar: a) Patrones de ensayo; b) valores de dureza (las que sean

posibles determinar); c) data técnica del ensayo en Brinell. (se debe tener en cuenta que la tubería es de acero). 6.7.

Determinar de Data técnica del ensayo del método Brinell, aplicado para medir la dureza de un material de Cobre que tiene un espesor de 2.55 mm.

6.8.

Que espesor debe tener una lamina de estaño, que tiene una dureza Brinell de 15 HB.

6.9.

Determinar el material, el espesor y la data técnica del ensayo aplicado de un material utilizado para construir una caja de almacenamiento de desperdicio, que tiene una dureza de 50 HB.

6.10. Durante la fabricación de una tubería de acero al carbono, se determinó que su resistencia a la tracción aproximada es de 114 kg/mm2. Determinar: a) Nº de Dureza Brinell; b) Patrones de ensayos del método aplicado; c) espesor de tubería; d) Data técnica del ensayo en el método Brinell. 6.11. Una muestra suministrada por un fabricante de cabillas lisas, debe presentar un % de carbono aproximado de 0.35%C. Determinar: a) Valor de Dureza en Brinell; Patrones de Ensayos; c) Valor de la resistencia a la tracción aproximada; d) data técnica del Ensayo. 6.12. Una barra de cobre utilizada en los sistemas de conducción eléctrica fue sometida a un ensayo de dureza, tomando en cuenta que su diámetro exterior es de 1 plg. Determinar: a) Patrones de Ensayo; b) Valores de Dureza en Brinell; c) resistencia a la Tracción aproximada; d) Data Técnica del ensayo; e) % carbono existente en la muestra en forma aproximada. 6.13. Identifique el tipo de material con su correspondiente nombre, utilizado para conformar una guaya de un equipo de izamiento que deberá soportar una carga de 144 kg/mm2. Adicionalmente deberá realizar una análisis general de la muestra. 6.14. En un tanque de acero sometido a una presión de 1500 lbs./plg2, presentó una filtración en dos de sus cinco anillos, en los cuales tienen espesores aproximado entre 0.75 y 2.56 mm. Calcular; a) patrones de Ensayo; b) Valor de dureza en Brinell; c) Valor de Resistencia a la tracción aproximada; d) data técnica del ensayo aplicado; e) %C en la muestra; f) Tipo de material ensayado; g) Identificación y Clasificación del Material ensayado; h) verifique si este material se encuentra en capacidad de soportar la presión de trabajo asignada anteriormente, tomando en cuenta un factor de seguridad de diseño de 1.25. 6.15. En una viga estructural de área aproximada de 216 mm, que soporta una carga de 4200 kg/mm2, se le desea realizar todos los análisis correspondientes para lograr identificar y clasificar dicho material. Realizar un estudio completo para verificar su análisis general. 6.16. Las laminas de acero recién fabricadas presentan valores de dureza de 30 HRC, 32 HRC , 27 HRC, 36 HRC, 31 HRC. Determinar: a) Valores de Dureza en Brinell; b) Patrones de dureza en el método Brinell y Rockwell; c) Data técnica de los ensayos Brinell y Rockwell; d) Resistencia a la tracción aproximada; e) %C aproximado; f) Identificación y clasificación del material; g) Realizar la Grafica de comportamiento del material según los datos de dureza.

ANEXO FORMATO DE INFORME TECNICO

UNIVERSIDAD DEL ZULIA NUCLEO COSTA ORIENTAL DEL LAGO DPTO. DE Cs. NATURALES LAB. DE Cs. DE LOS MATERIALES INFORME DE LABORATORIO

Fecha: _________ Sección: _______ Practica Nº: _____

Nombre de la Práctica: Apellidos Y Nombres de los Integrantes:

OBJETIVOS DE LA PRACTICA: (1 pto)

ALCANCE DE LA PRACTICA: (1 pto)

DESCRIPCION DE LA PRACTICA: (3 ptos)

Cédula de Identidad de los Integrantes:

RESULTADOS DE LA PRACTICA: (5 ptos)

CONCLUSIONES: (10 ptos)

Capitulo

3 En say o s DE TR AC C IO N Todos los materiales indiferentemente de su constitución presentan propiedades adecuadas, que sin intrínsecas del mismo; algunas de estas propiedades pueden detectarse cuando se aplican ciertos tipos de ensayos tales como los de Dureza, que nos proporcionan una idea de sus resistencia a ciertas condiciones. Sin embargo, la mejor forma de determinar cierto tipo de propiedades se fundamenta en la aplicación de los ensayos correctos y acordes con lo que se desea conocer. En nuestro caso muy particular y para efectos del estudio de este capitulo, nos enfatizaremos en los Ensayos de Tracción, por medio de los cuales podemos estudiar las propiedades de Elasticidad y plasticidad; así como también, las subpropiedades de ductilidad y maleabilidad, las cuales marcan la diferencia entre los diferentes tipos de materiales. Es menester hacer del conocimiento a todos los estudiantes y lectores de este material, que el hecho de tener conocimiento de los materiales en forma general; siempre nos hace falta realizar los ensayos adecuados a lo que se requiere obtener, de forma tal que contribuya para la toma de decisiones en aplicación y utilización de dichos materiales.

3.1 GENERALIDADES En el capítulo se mencionaba el hecho de que todo material que presentara un valor de dureza predeterminado, también poseía un valor de resistencia, una resistencia bien definida, establecida para evitar la penetración, el rayado, la deformación, el dobles, el pandeo, entre otros. Sin embargo no está bien establecida hacia los efectos de impactos. Los valores de dureza definen en gran manera los valores de resistencia, hasta tal punto que mediante estos valores podemos tener un número aproximado de la resistencia, conocida como resistencia a la tracción aproximada (RAA). Pero es a través de los ensayos de tracción en donde se pueden dilucidar realmente estos valores con más precisión, y es por ello que en este punto tocaremos todo lo con este tipo de ensayo. Para empezar debemos tener claro ciertos conceptos que son de gran utilidad para entender este tema, el cual solo tocará de manera explícita los ensayos de tracción:  TRACCION: Se define como el esfuerzo a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerza que tienen la misma magnitud, la misma dirección, pero con sentidos opuestos.  igurapor unidad de área:  DEFORMACION: La deformación es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo o la ocurrencia de dilatación térmica.  PROBETAS: Cuerpo representativos de un material, equipo o maquinaria, con dimensiones especificas y normalizadas que sirven para ser sometidas a ensayos para análisis posteriores. Tomando en cuenta las definiciones anteriores las cuales son las más importantes para este tema en particular, podemos entrar en materia sin olvidar que existen más definiciones que tienen igual importancia; simplemente no las hemos considerado por el momento de manera que se irán desarrollando a medida que avancemos en el tema. Los ensayos de tracción consisten en someter una probeta de forma y dimensiones determinadas a un esfuerzo de tracción en la dirección de su eje, hasta romperla. Las probetas empleadas generalmente son barras de sección regular y constante, casi siempre circulares, pero también pueden presentarse en forma rectangular (figura N° 1).

Figura N° 1. Probeta para ensayos de tracción

Como puede verse en la figura N° 1, la probeta posee ciertas dimensiones, las cuales se encuentran normalizadas. Sus extremidades son de mayor sección, para facilitar la fijación de las probetas a la maquina que ha de producir el esfuerzo de tracción. En sus extremos la probeta es sometida a dos fuerzas “P”; las cuales, cuando van accionando sobre la probeta se genera un esfuerzo, el cual simbólicamente es representado por “σ”. El esfuerzo axial  en el espécimen de prueba (probeta) se calcula dividiendo la carga P entre el área de la sección transversal (A), tal como se presenta en la expresión 3.1.:

𝜎=

𝑃

(3.1) nera ndo los el esfuerzo resultante se denomina Cuando en este cálculo se emplea el área inicial de la probeta, esfuerzo nominal (esfuerzo convencional o esfuerzo de ingeniería). Se puede calcular un valor más esfue exacto del esfuerzo axial, conocido como esfuerzo real. rzo. 𝐴

Para iniciar el ensayo, se toma la probeta y se hacen dos marcas, entre las cuales se mide la longitud que se denomina “Calibrada”. Esta longitud puede dividirse en partes iguales para medir las deformaciones a lo largo de la probeta. Para que los resultados de los ensayos sean comparables, deben ser las probetas deformaciones proporcionales. Es decir que si “LO” es la longitud de la parte calibrada, y “S” la sección constante entre esa sección y la longitud de la probeta deberá existir la misma relación, según la expresión 3.2.:

𝐿𝑂 = 𝐾𝑡 ∗

𝑠

(3.2)

Donde: LO = longitud calibrada Kt = coeficiente de tracción S = Sección constante de ensayo Ejemplo # 3.1. La probeta normal DIN tiene un diámetro de 20 mm, una sección de 314 mm 2, y una longitud entre puntos de 200 mm, o sea que LO = 10d. Determine el valor del coeficiente de tracción de dicha probeta. Solución 𝐿𝑂 = 𝐾𝑡 ∗ 𝐾𝑡 =

200 314

𝑆

= 11,29

Kt = 11,29 La deformación unitaria axial media se determina a partir del alargamiento medido “Δl “entre las marcas de calibración, al dividir Δl entre la longitud calibrada L0. Si se emplea la longitud calibrada inicial se obtiene la deformación unitaria nominal (), de acuerdo a la expresión 3.3. 𝜀=

Δ𝑙 𝑙

(3.3)

3.2 DIMENSIONAMIENTO DE LA PROBETA Luego de haber establecido la longitud calibrada de una probeta, se debe realizar el marcaje, para lo cual se hace necesario el dimensionamiento de la misma. Este dimensionamiento, es simplemente colocarle valores a la probeta y ubicar el marcaje y las distancias que se requieren para colocar los mandriles de las cabezas de la máquina de tracción. Para iniciar el dimensionamiento, lo primero que hay que hacer es tomar la longitud total de la probeta y dividirla en dos (figura N° 2).

M

A

Lt Figura N° 2. Probeta lista para dimensionamiento

posteriormente se trazara una línea de eje vertical por el centro de la probeta (figura N° 3).

M

A

Lt Figura N° 3. Probeta divida en dos secciones con trazo de eje vertical

Seguidamente se marcaran los puntos que corresponden a la longitud calibrada partiendo del eje vertical trazado. Se marca el punto de la derecha primero y posteriormente es de la izquierda; la distancia entre punto y punto debe ser igual a la longitud calibrada (figura N° 4).

M

A LC

LC2 LC1 Lt Figura N° 4. Probeta con demarcación de la longitud calibrada y ubicación de los punto de medición

Marcada la longitud calibrada se procede a dimensionar los cabezales de la probeta para indicar en donde debe fijarse las mordazas de los mandriles de la máquina de tracción. Para ello se toma una de las mitades de la longitud total de la probeta y se divide en dos secciones; en donde se indique la división se trazara una nueva línea de eje vertical en donde serán colocados las mordazas (figura N° 5).

M

A

Agarre de mordaza

LC

LC2 LC1 Lt Figura N° 5. Probeta dimensionada en los cabezales para la colación de mordazas

3.3 REALIZACION DE LOS ENSAYOS DE TRACCION. Los ensayos de tracción, de compresión y flexión pueden realizarse con una maquina Universal AMSLER o similar (figura N° 6), cuyo embolo, movido hidráulicamente, produce tracciones, compresiones y flexiones a voluntad y aplicando las cargas deseadas a la probeta colocada y sujeta en la maquina por medio de mordazas o mandriles adecuadas.

Figura N° 6. Maquina Universal Amsler de 50 Tn para Ensayos de Tracción

3.4 ENSAYOS DE TRACCION EN EL CAMPO ELASTICO. Cuando una barra o una probeta se somete a un esfuerzo de tracción, sufre un alargamiento. Pues bien, la relación entre la tensión unitaria y el alargamiento producido con respecto a la longitud inicial o calibrada, permanece sensiblemente constante para un mismo material y se denomina MODULO DE YOUNG o modulo de elasticidad, el cual puede determinarse según la expresión 3.4.

𝐸𝑚 =

𝑃 𝑆 ∆𝑙 𝑙

=

𝜎 𝜀

(3.4)

Donde: Em = modulo de Young o modulo de elasticidad P = Carga máxima aplicada S = superficie o área a ser sometida a esfuerzo Δl = Variación de longitud generada por la deformación producida por el esfuerzo aplicado l = longitud inicial o calibrada σ = Esfuerzo aplicado ε = deformación generada. Ejemplo 3.2. Una probeta de sección de 150 mm2 y de longitud 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. Determinar el módulos de Young el esfuerzo y la deformación producida cuando la fuerza aplicada de tracción total es de 3.000 kg. Solución a) Se definen las ecuaciones necesarias para resolver este problema:

𝜎=

𝑃 𝐴

,

𝜀=

Δ𝑙 𝑙

, 𝐸𝑚 =

𝑃 𝑆 ∆𝑙 𝑙

=

𝜎 𝜀

b) Se sustituyen los valores en las ecuaciones correspondientes a ser aplicadas 𝜎=

3.000 150

0,1

20

= 20 kg/mm2 , 𝜀 = 100 =1x10-3 , 𝐸𝑚 = 0,001 = 20.000 kg/mm2

El modulo de young es aproximadamente igual a 20.000 kg/mm2 para todos los aceros, cualquiera que sea su composición y estructura, no siendo las variaciones superiores a ± 10%. Si se siguen aplicando tensiones crecientes a la probeta, llega un momento en que los alargamientos dejan de ser proporcionales a la carga aplicada. Hay un punto a partir del cual, parece como si se produjera una desconexión molecular, y con incrementos de cargas más pequeños se producen alargamientos mayores. Si se representan en coordenadas cartesianas, en el eje de las ordenadas la tensión aplicada, y en el eje de las abscisas el incremento de la longitud (figura N° 7), observaremos que hasta un punto “e” (limite del campo elástico), la representación es sensiblemente una recta. Pero a partir de “e”, se inicia una curva entrándose en el campo plástico. El valor de la tensión en el punto “e” es Em y se denomina limite aparente de elasticidad. El limite verdadero seguramente es inferior a este valor que se habrá tenido que rebasar para poder apreciar la falta de proporcionalidad entre el aumento de carga y el alargamiento. 3.5 ENSAYOS DE TRACCION EN EL CAMPO PLASTICO. Una vez que la tensión a la que se ha sometido la probeta pasa el límite de elasticidad, o de proporcionalidad entre las cargas y los alargamientos, hay algunas fluctuaciones en la curva, entrándose en el denominado periodo plástico – elástico. A partir del punto fs, que es el límite superior de fluencia

los alargamientos aumentan rápidamente sin necesidad de aumentar la tensión hasta un punto fi, que se denomina límite inferior de fluencia.

Figura N° 7. Diagrama de tensiones y deformaciones en el ensayo a la tracción de una probeta de acero.

A partir de este punto, vuelve a ser necesario aumentar la carga durante un periodo que se conoce con el nombre de periodo de fortalecimiento, hasta alcanzar un valor máximo de la tensión R, que se denomina tensión de rotura, aunque la rotura propiamente dicha no se produzca en ese punto, sino después de un periodo durante el cual la probeta se estira rápidamente, reduciéndose sensiblemente su sección hasta que se produce la rotura bajo un esfuerzo menor que la tensión antes citada. 3.6 LIMITE DE ELASTICIDAD. Se conoce con el nombre de limite elástico o limite de elasticidad a la carga máxima que puede soportar un metal sin sufrir deformaciones permanente. En la práctica es muy difícil determinar por medio de

ensayos este límite elástico tal como se ha definido. Y por eso, prácticamente, se acepta como limite elástico el valor de la carga que rebasa ligeramente la elasticidad produciendo una deformación muy pequeña y perfectamente medible. En general se emplea el limite elástico 0,2 que se representa E0,2 y es la carga que produce una deformación permanente del 0,2%. Para determinarlo, se somete la probeta a cargas que aumentan en 1 kg/mm 2, manteniéndolas durante diez segundos y midiendo los alargamientos permanentes después de suprimir las cargas. Cuando éstos sean superiores al 0,2% de la longitud inicial, se detiene el ensayo, obteniendo la carga que haya producido el alargamiento del 0,2% por interpolación. Para muchas aplicaciones, resulta más útil que determinar el límite de elasticidad comprobar solamente si supera un valor mínimo para un material determinado. En este caso, el ensayo se limita a someter la probeta, durante diez segundos, a la tensión fijada y comprobar si, una vez descargada, la deformación permanente es inferior o superior al 0,2% de la distancia entre puntos. El limite elástico tiene una gran importancia en los proyectos mecánicos, no solo para el cálculo de muelles, que son los elementos elásticos por excelencia, sino para el cálculo de toda clase de elementos, de aparatos, maquinas y estructuras, pues se ha de tener en cuenta que las piezas se dimensionan para que trabajen por debajo del límite de elasticidad, ya que no interesa que adquieran deformaciones permanentes. 3.7 ALARGAMIENTO. El ensayo de tracción para la determinación del alargamiento se realiza aumentando aproximadamente 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 límite 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. Se denomina Alargamiento al experimentado por la probeta, expresado en tanto por ciento de la longitud inicial entre puntos y se determina mediante la expresión 3.5.: 𝐴=

𝐿𝑓 − 𝐿𝑂 𝐿𝑂

𝑥 100

(3.5)

Donde: LO = Longitud inicial o distancia entre marcas de la probeta Lf = Longitud final después de la deformación y/o rotura A = Alargamiento El alargamiento que se produce es distinto según la posición de la sección de rotura, y será tanto menor cuanto más cerca se halle de uno de los extremos. Por esta razón solo es aplicable la formula anterior cuando la rotura haya tenido lugar en el tercio central de la probeta. Pueden, sin embargo, utilizarse todos los ensayos de alargamiento, aunque se rompan las probetas fuera del tercio central, si se marcan previamente, dividiendo su longitud entre las marcas extremas, en un numero de partes iguales. 3.8 ESTRICCION. La rotura de una probeta en el ensayo de tracción puede producirse de dos maneras: a) Después de la deformación elástica. Entonces la rotura se produce bruscamente, sin deformación aparente en su sección. Esta clase de roturas se produce cuando los materiales son poco dúctiles o cuando sus estructuras están en estado de tensión.

b) Después de la deformación plástica. En este caso, la probeta disminuye de sección sensiblemente en las proximidades de la sección de rotura. Estricción es la disminución de la sección en la fractura de una probeta rota por alargamiento. Se expresa en tanto por ciento de la sección inicial, o sea: ∈=

𝑆𝑂 − 𝑆 𝑓 𝑆𝑂

𝑥 100

(3.6)

Donde: ∈ = Estricción SO = Sección inicial antes del ensayo Sf = Sección final después de la rotura Si las probetas son de sección circular, como ocurre generalmente, puede calcularse su área por la conocida expresión 3.7.: 𝑆=

𝜋 4

𝐷2

(3.7)

Pudiendo transformarse la formula de la estricción así: 𝑆𝑂 − 𝑆𝑓 ∈= 𝑥 100 = 𝑆𝑂

𝜋 4

𝜋 4 𝜋 2 𝐷 4 𝑂

𝐷𝑂2 −

𝐷𝑓2

𝑥 100 =

𝐷𝑂2 − 𝐷𝑓2 𝐷𝑂2

𝑥 100

Siendo DO el diametro inicial y Df el diametro de la sección rota. 3.9 RESISTENCIA A LA ROTURA. La resistencia a la rotura no es una propiedad, sino el resultado de un ensayo que da la carga necesaria por unidad de sección para producir la rotura del metal ensayado. Se valora en kg/cm 2 o en kg/mm2. Como la rotura de un metal puede producirse por tracción, por compresión, por torsión o por cizallamiento, habrá un a resistencia a la rotura por tracción, otra por compresión, otra por torsión y otra por cizallamiento. Como ya se ha establecido en los primeros parrafos, que al rebasar una carga “E”, que denominamos limite elastico, se empieza el metal a deformar permanentemente, es decir, que el metal salta del periodo elastico al periodo o zona plastica. A partir del punto citado, para que la deformación aumente, debe ir aumentando también la carga hasta que, al llegar a la carga “R” (figura N° 7), el metal se sigue deformando sin aumento de carga, hasta que se rompe. Si denominamos R a la resistencia a la rotura del material (Resistencia a la Tracción Aproximada), E al limite elastico y P a la carga que es preciso suplementar a E para producir la rotura del metal, tendremos, evidentemente la siguiente expresión: 𝑅 =𝐸+𝑃

(3.8)

Es decir, que la resistencia a la rotura R se compone de la carga limite de elasticidad E y del suplemento de carga aplicado en la zona plastica P. hacemos resaltar esto, porque si bien hemos indicado antes, en la seccón 3.6, que se calculan las piezas metalicas para que trabajen sin llegar al limite elastico y evitar así que en su trabajo normal se deformen permanentemente, interesa también que los metales tengan una

zona plastica de reserva, cuya carga P pueda absorber sobrecargas accidentales que deformaran el metal, pero no llegaran a romperlo si no rebasan la carga P. Un ejemplo de lo antes expuesto, se refleja en los parachoques de los automoviles, los cuales son en general de acero, y los pequeños golpes los encajan sin deformarse permanentemente, porque no rebasan su limite elastico. Pero si un automovil, por accidente, choca violentamente contra un arbol, el parachoques se deforma, pero, en general, no se rompe, porque absorbe en su zona plastica la sobrecarga accidental. 3.10

RESISTENCIA A LA ROTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS

Las propiedades de los materiales se modifican, en general, al elevar su temperatura. En el acero, hasta 250°, aumenta su resistencia y disminuye su capacidad de deformación. Por encima de los 250° ocurre lo contrario. Esta temeperatura es la llamada temperatura azul, porque al limar una pieza de acero las temperaturas de 200° y 300°, aparece el metal de color azul, que desaparece pronto si no llega a los 250° y se vuelve mas oscuro si se había rebasado esta temperatura. Otra zona critica de temperatura es la de 500° a 600°, en las que el acero se pone al rojo oscuro, y los aceros que contienen azufre se vuelven fragiles. Por debajo de 0°, los aceros se vuelven mas fragiles y disminuye su ductilidad.