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Ensayos mecánicos dinámicos y estáticos Ensayos destructivos

Universidad tecnológica de Coahuila

8-ICP-B Maestra: Yessica Hernández Valdez Delgado Hernández María Félix Espinoza Reyna óscar Alexis Vélez Valdez enrique Uriel

23/05/2019

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Índice Ensayo mecánico ........................................................................................................................... 1 Objetivos ................................................................................................................................... 1 Tipos de ensayos mecánicos....................................................................................................... 2 Destructivos ............................................................................................................................... 2 Factores que afectan los resultados de los ensayos. ................................................................... 3 Ensayo mecánico dinámico ............................................................................................................ 5 ¿Qué informaciones pude obtenerse con el Ensayo Dinámico? .................................................. 5 ¿El Ensayo Dinámico informa directamente la capacidad de carga estática? ............................... 6 ¿El Ensayo Dinámico puede remplazar las pruebas estáticas?..................................................... 6 Ensayos estáticos ........................................................................................................................... 7 ¿Cuál es la definición de "ensayo de dureza"? ................................................................................ 7 ¿Cómo se realizan los ensayos de dureza? ................................................................................. 7 Selección del mejor método de ensayo de dureza .................................................................... 8 Cómo seleccionar el método del ensayo ................................................................................... 8 Ensayo de tensión .................................................................................................................... 10 La máquina de ensayos de tensión .......................................................................................... 12 Ensayo de compresión ............................................................................................................. 14 Ensayos dinámicos ....................................................................................................................... 16 Ensayo por pandeo .................................................................................................................. 16 Ensayo de flexión ..................................................................................................................... 18 Ensayo por torsión ................................................................................................................... 20 Ensayo por fatiga ..................................................................................................................... 21 Ensayo de cizallamiento ............................................................................................................... 25 Objetivo del ensayo ................................................................................................................. 28 Método Iosipescu, ASTM D 5379 .............................................................................................. 29 Método de cizallamiento de entalladura en carril en V, ASTM D 7078 ...................................... 30 Bibliografías ................................................................................................................................ 32

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Ensayo mecánico Objetivos Los ensayos mecánicos sirven para: Determinar propiedades del material, ya sea resistencia, ductilidad, tenacidad, etc. Determinar leyes de comportamiento del material bajo distintas situaciones para diseño Poder seleccionar materiales. Modificar materiales en producción para cumplir propiedades deseadas. Controlar la calidad, verificar el cumplimiento de las especificaciones técnicas requeridas para el uso del material Desarrollar y producir nuevos materiales con distintas características mecánicas De los resultados obtenidos se puede obtener información Cualitativa, que ayuda al entendimiento de los materiales, describen la estructura y comportamiento del material en general, muestran el efecto de distintas variables sobre una propiedad dependiente y permiten determinar las variables que conviene controlar para cumplir objetivo. Los principales factores del procedimiento experimental que influyen sobre las propiedades mecánicas medidas son: Condiciones

Equipos de ensayos

Método o técnica de ensayo

Errores

humedad

deformación o tipo de solicitación en carga función de propiedad humanos controlada a determinar

temperatura

rigidez de máquina de ensayos

tiempo y velocidad aplicación de carga

edad

rigidez de platos de carga

dimensiones y forma equipos e de probeta instrumentos

métodos de fabricación

precisión de medición

relación tamaño fases técnica de (tamaño gramos) y muestreo dimensión probeta

carga y deformación

efectos de borde (concentración de tensiones y excentricidades)

composición

calibración

Tipo de rotura. disposición de las cargas

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Existen 2 tipos de ensayos: Ensayos destructivos: Ej. Reacción, compresión, flexión, etc. Ensayos no destructivos: Existen numerosos tipos de ensayos no destructivos, es decir, que permiten verificar indirectamente la resistencia del material sin producir daño sobre él. Más adelante se describirán algunos de los más utilizados para ello, tales como la determinación del índice esclerométrico mediante martillo Schmidt y de la velocidad de propagación de ondas ultrasónicas.

Tipos de ensayos mecánicos Destructivos Tracción Más útil de todos los ensayos para materiales dúctiles: metales. Se determina resistencia, ductilidad, tenacidad, módulo de elasticidad y coeficiente de poisson.

Compresión: Ensayo de gran valor para determinar la resistencia de materiales frágiles: hormigón, madera, ladrillo, hierro fundido. Permite evaluar, además, el módulo de elasticidad y el coeficiente de poisson.

Flexotracción: Medida indirecta de la resistencia a la tracción de materiales frágiles. (Denominada módulo de ruptura.)

Hendimiento En materiales frágiles entrega medida indirecta de la resistencia a la tracción que es más cercana a la resistencia a tracción pura del material. válido teóricamente sólo para materiales lineal-elástico. Conocido como método brasileño.

Impacto: Medida valiosa de la resistencia a golpes de materiales frágiles y dúctiles. se utiliza para evaluar la capacidad de absorber energía del acero a diferentes temperaturas y entrega temperatura de transición.

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Fatiga: Determinar el deterioro progresivo de un material hasta la rotura bajo tensiones repetidas o alternadas.

Dureza: Mide capacidad de un material de prevenir el desgaste y deterioro por acciones mecánicas

Corte: Utilizado en maderas, ladrillos y hormigón. ensayo imperfecto debido a existencia de tensiones de flexión.

Torsión: Único ensayo que permite determinar el módulo de elasticidad al g de materiales dúctiles. No Destructivos:

Ensayos Esclerométricos: Mide dureza superficial y la correlaciona con resistencia a compresión en hormigones Ensayos Ultrasónicos: Mide módulo de elasticidad por velocidad de transmisión de ondas ultrasónicas y lo correlaciona con resistencia a compresión

Factores que afectan los resultados de los ensayos. Humedad del material. En general los materiales secos resisten más que los húmedos.

Relación entre resistencia y contenido de humedad en probetas picea sitchnesis.

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Temperatura del material:

Influencia de la temperatura en el momento del ensayo

Velocidad de aplicación de carga: La carga se debe aplicar en forma continua y sin choques a velocidad uniforme, cumpliendo las siguientes condiciones: Alcanzar la rotura en un tiempo igual o superior a 100 seg. para el caso de hormigones. Velocidad de aplicación de carga no superior a 3.5 kgf/cm2/seg

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Dirección de la aplicación de la carga:

Ensayo mecánico dinámico También conocido como prueba de carga dinámica, el Ensayo Dinámico objetiva principalmente determinar la capacidad de ruptura de la interacción entre el pilote y el suelo, para esfuerzos estáticos axiales. Él difiere de las tradicionales pruebas de carga estáticas por el hecho de que la carga es aplicada dinámicamente, a través de golpes de un sistema de percusión adecuado. La medición se hace por medio de la instalación de sensores en el fuste, en una sección situada por lo menos dos veces el diámetro del pilote abajo de su cabeza.

¿Qué informaciones pude obtenerse con el Ensayo Dinámico? El principal objetivo del Ensayo Dinámico es obtener la capacidad de ruptura del suelo. Sin embargo, paralelamente muchos otros datos pueden ser obtenidos por el ensayo. Algunos de los más importantes son: 1. Tensiones máximas de compresión y de tracción en el material del pilote durante los golpes. 2. Nivel de flexión sufrido por el pilote durante el golpe. 3. Informaciones sobre la integridad del pilote, incluso la localización de eventual daño y estimativa de su intensidad. 4. Energía efectivamente trasferida para el pilote, permitiendo estimar la eficiencia del sistema de hinca.

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5. Desplazamiento máximo del pilote durante el golpe. 6. Velocidad de aplicación de los golpes y estimativa de altura de caída para martillos Diesel simple acción.

¿El Ensayo Dinámico informa directamente la capacidad de carga estática? Sí. El Ensayo Dinámico lleva en consideración que el desplazamiento rápido del pilote en un medio viscoso como el suelo produce una resistencia estática y una dinámica. Esa última es restada de la resistencia total medida, siendo siempre informado apenas el valor de la resistencia estática. En el análisis la resistencia dinámica es determinada por medios matemáticos, a partir de la forma de las señales de fuerza y velocidad medidas.

¿El Ensayo Dinámico puede remplazar las pruebas estáticas? Sí y no. El Ensayo Dinámico es de ejecución mucho más rápida que las pruebas estáticas, y tiene un costo más bajo y prácticamente independiente de la carga que se va a medir. Tiene también la ventaja de causar poco trastorno a la obra, una vez que no exige la parada de equipamientos alrededor del pilote bajo prueba. Es natural, por lo tanto, que haya interés en remplazar las pruebas estáticas por Ensayos Dinámicos. En el caso más común, si se desea apenas confirmar si los pilotes atienden a los requisitos de proyecto, el Ensayo Dinámico solo puede ser suficiente. Caso por algún motivo se desee determinar la real carga de ruptura de un pilote, será necesario efectuar una prueba de carga estática, necesariamente llevada hasta la ruptura (y no extrapolada, caso en que tendrá el mismo valor que el Ensayo Dinámico). En suelos con características poco comunes o desconocidas, es siempre aconsejable hacerse por lo menos una prueba estática de verificación, para comprobar si la metodología adoptada para los Ensayos Dinámicos es correcta. Es el caso por ejemplo de suelos que presentan relajación, donde el Ensayo Dinámico debe hacerse preferentemente bastante tiempo después de la hinca de los pilotes, y la capacidad determinada a través de un primer golpe de alta energía.

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Ensayos estáticos ¿Cuál es la definición de "ensayo de dureza"? La aplicación del ensayo de dureza le permite evaluar las propiedades de un material, tales como su fuerza, ductilidad y resistencia al desgaste. También le ayuda a determinar si un material o el tratamiento de un material es adecuado para el propósito deseado. El ensayo de dureza se define como "una evaluación que permite determinar la resistencia de un material a la deformación permanente mediante la penetración de otro material más duro". No obstante, la dureza no es una propiedad fundamental de un material. Sin embargo, cuando se extraen conclusiones de un ensayo de dureza, siempre se debe evaluar el valor cuantitativo en relación con: 

La carga aplicada en el penetrador



Un perfil de tiempo de carga específico y una duración de carga específica



Una geometría de penetrador específica

¿Cómo se realizan los ensayos de dureza? Por lo general, un ensayo de dureza consiste en presionar un objeto (penetrador) con unas medidas y una carga concretos sobre la superficie del material a evaluar. la dureza se determina al medir la profundidad de penetración del penetrador o bien midiendo el tamaño de la impresión dejada por el penetrador. 

los ensayos de dureza que miden la profundidad de penetración de dicho objeto son: rockwell, ensayo de penetración instrumentado, y dureza de penetración de bola



los ensayos de dureza que miden el tamaño de la impresión dejada por el penetrador son: vickers, knoop y brinell.

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Selección del mejor método de ensayo de dureza Cómo seleccionar el método del ensayo El ensayo de dureza elegido debería basarse en la micro estructura –p. ej.: la homogeneidad– del material que evalúe, así como el tipo de material, el tamaño de la pieza y su estado. En todos los ensayos de dureza, el material bajo la penetración debería ser representativo de la totalidad de la micro estructura (salvo que la tarea sea estudiar los diferentes componentes presentes en la micro estructura). Por consiguiente, si una micro estructura es muy tosca y heterogénea, se necesitará una impresión mayor que para un material homogéneo. Existen cuatro ensayos de dureza a destacar, cada uno con sus respectivas ventajas y requisitos. Existen diferentes estándares para estos ensayos, que explican los procedimientos y la aplicación del ensayo de dureza en detalle. Al seleccionar un método de ensayo de dureza, es importante considerar lo siguiente: 

El tipo de material que se someterá al ensayo



Si es necesario cumplir alguna normativa concreta



La dureza aproximada del material



La homogeneidad/heterogeneidad del material



El tamaño de la pieza



Si se necesita embutición



La cantidad de muestras que se someterá a un ensayo



La precisión necesaria del resultado

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Requisitos de preparación de la superficie para el ensayo de dureza. Antes de realizar el ensayo de los materiales metálicos u otros materiales, debe preparar la superficie. el estado en que deberá encontrarse la superficie dependerá del tipo de ensayo y de la carga aplicada. en general, la calidad de preparación de la superficie afecta directamente al resultado del ensayo de dureza. por ello, antes de tomar una decisión sobre la superficie inferior, se recomienda tener en cuenta la compensación entre la calidad de la superficie y la variación en el resultado del ensayo.

Ensayo de macro dureza Por lo general, la superficie esmerilada es suficiente para realizar ensayos de macro dureza, y a veces ni siquiera se requiere dicha preparación.

Ensayo de micro dureza Debido a cargas inferiores utilizadas durante el ensayo de dureza, el ensayo de micro dureza requiere una superficie pulida o electro pulida. es importante que los bordes/esquinas de una impresión evaluada ópticamente sean claramente visibles. ésta se puede realizar mecánica, química o electroquímicamente. es importante que no se introduzca ningún cambio en las propiedades de la superficie de la muestra debido al calor o al trabajo en frío.

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Deformaciones. El corte y el esmerilado pueden introducir deformaciones. Éstas se pueden eliminar tras realizar un pulido a 6,0, 3,0 o 1,0 μm dependiendo de la carga del ensayo. En caso de cargas pequeñas (de menos de 300 gf1) la superficie deberá estar totalmente libre de deformaciones y será necesario realizar un pulido con óxido, o incluso un pulido electrolítico, en las muestras a fin de obtener una superficie totalmente libre de daños. También será necesario tener en cuenta que los materiales blandos y/o dúctiles (es decir, de una hv de menos de 120-150) son más sensibles a la hora de introducir artefactos en la preparación.

Ensayo de tensión El ensayo de tensión consiste en una prueba destructiva para obtención, interpretación y análisis de algunas propiedades mecánicas del material a analizar. Se realiza sometiendo una probeta normalizada a una carga que intente estirarla y que va aumentando con el tiempo hasta producir la estricción y posterior rotura de la probeta. De este ensayo se obtienen propiedades importantes de los materiales tales como: módulo de elasticidad, esfuerzo de fluencia, esfuerzo máximo, esfuerzo de rotura y porcentaje (%) de elongación, entre otras. En este tutorial tendrás acceso a los conceptos básicos y necesarios para comprender el ensayo de tensión, procedimiento y utilidad dentro de los ensayos destructivos en ingeniería.

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El ensayo de tensión se realiza fijando una probeta en sus extremos a una mordaza fija y otra móvil (Fig. 1), se calibra una velocidad de desplazamiento de la mordaza fija, la cual aplica una carga cuasiestática (muy bajas velocidades) de tensión en la probeta. Una vez se alcanza el valor de esfuerzo último, la probeta falla, dividiéndose en dos mitades; en este punto se concluye el ensayo. (Fig. 2)

Las probetas empleadas para el ensayo de tensión poseen dimensiones estandarizadas y estipuladas por la norma ASTM E8, la cual define las consideraciones en cuanto a geometría y características generales de la probeta para el ensayo. Se pueden emplear tres tipos de probeta, principalmente (Fig. 3): a) probetas de sección circular b) probetas planas c) secciones de varilla (longitud de acuerdo a la norma)

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La máquina de ensayos de tensión La máquina de ensayo de tensión (máquina universal) cuenta con un marco en el cual se encuentran dos mordazas: una fija y una móvil. La mordaza móvil, por lo general, se mueve mediante un tornillo sin fin o un mecanismo hidráulico. Como datos de entrada requiere la longitud calibrada y el área de sección transversal de la probeta para posteriormente generar la gráfica esfuerzo-deformación. La máquina universal de ensayos trae incluido un software que permite graficar la evolución del material a lo largo del ensayo, obteniendo gráficas que permiten obtener información útil para el diseño y selección de materiales para diversos procesos de fabricación. (Fig. 4)

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Gráficas del ensayo de tensión Del ensayo de tensión se obtienen las gráficas representativas para determinar la resistencia y la capacidad de deformación de un material, a continuación se muestran los valores de estudio para el diagrama esfuerzo-deformación.

Puntos representativos de la gráfica esfuerzo-Deformación unitaria. Donde: A es el límite de proporcionalidad, B es el límite elástico, C es el esfuerzo de fluencia superior, D es el esfuerzo de fluencia inferior, E esfuerzo de fluencia para materiales dúctiles.

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Ensayo de compresión El ensayo de compresión es poco frecuente en los metales y consiste en aplicar a la probeta, en la dirección de su eje longitudinal, una carga estática que tiende a provocar un acortamiento de la misma y cuyo valor se irá incrementando hasta la rotura o suspensión del ensayo.

El diagrama obtenido en un ensayo de compresión presenta para los aceros, al igual que el de tracción un período elástico y otro plástico.

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En los gráficos de metales sometidos a compresión, obtenidas sobre probetas cilíndricas de una altura doble con respecto al diámetro, se verifica lo expuesto anteriormente, siendo además posible deducir que los materiales frágiles (fundición) rompen sin deformarse, y los dúctiles, carecen de importancia, ya que se deforman continuamente hasta la suspensión de la aplicación de la carga, siendo posible determinar únicamente, a los efectos comparativos, la tensión al límite de proporcionalidad.

Probetas para compresión de metales. En los ensayos de compresión, la forma de la probeta son de dimensiones normalizadas. El rozamiento con los platos de la maquina hace aparecer, un estado de tensión compuesta que aumenta la resistencia del material, la influencia de estas tensiones va disminuyendo hacia la sección media de la probeta, razón por la cual se obtiene mejores condiciones de compresión simple cuando están se presenta con forma prismáticas o cilíndricas de mayores alturas, las que se limitan, para evitar el efecto del flexiona miento lateral debido al pandeo. En ensayos no se utilizan probetas industriales, para una buena distribución de cargas se necesitan, probetas planas y paralelas entre si para evitar datos erróneos.

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Ensayos dinámicos Ensayo por pandeo En forma normal se piensa que las deflexiones dentro del límite elástico varían en forma lineal con la carga, sin embargo ocurren varias excepciones notables, como la falla por estabilidad o pandeo cuando se aplican cargas de compresión. Se entiende por estabilidad la propiedad del sistema de mantener su estado durante las acciones exteriores. Si el sistema no tiene esta propiedad se dice que el sistema es inestable. En la misma medida se puede afirmar que su estado es inestable. En las condiciones reales siempre existen causas que pueden conducir a la perturbación del estado original de equilibrio. Es decir, que siempre se realiza la posibilidad del paso del sistema inestable a un nuevo estado. En este caso se dice que no tiene lugar la pérdida de estabilidad. Al perder la estabilidad, el sistema se puede comportar de diversas formas. Generalmente, tiene lugar el paso a un nuevo estado de equilibrio, lo que, en la mayoría de los casos va acompañado de grandes deformaciones, dedeformaciones plásticas o de una rotura completa. En algunos casos, después de perder la estabilidad, la estructura sigue trabajando y cumple, como antes, sus funciones principales. Pueden ocurrir, por fin, casos cuando el sistema perdió estabilidad, al no tener una posición estable de equilibro, pasa al régimen de las oscilaciones no amortiguadas. Es necesario destacar que el fenómeno de la pérdida de estabilidad se manifiesta de la forma más clara en las estructuras ligeras de paredes delgadas: en las cáscaras comprimidas y en las paredes delgadas. Tal vez los más comunes son las columnas largas esbeltas trabajando a la compresión.

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Los ejemplos incluyencolumnas en edificios, eslabones estructurales a la compresión (Como en puentes), bielas conectadas a pistones, resortes helicoidales a la compresión y tornillos de gatos; también los tubos de paredes delgadas solicitado por una presión exterior es capaz de perder estabilidad. En este caso, la forma circular de la sección pasa a ser elíptica y el tubo se aplasta, a pesar de que, en el momento de perder la estabilidad, las tensiones están lejos de alcanzar el límite de fluencia

En el caso de barras esbeltas, debemos tener en cuenta que si la fuerza aplicada sobre una barra

“perfecta”

sigue

la

dirección

exacta

del

lugar

geométrico

de

loscentros de gravedad de la sección no se producirá el pandeo. Pero en lascondiciones reales en que actúa el sistema pueden existir una o más de las siguientes causas que determina el pandeo, como por ejemplo: 

Irregularidades en la forma.



Irregularidades en la estructura.



Excentricidad de la carga respecto al centro geométrico.



Pequeña flexión del eje.

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Ensayo de flexión Un ensayo de flexión nos sirve para evaluar el comportamiento esfuerzo-deformación y la resistencia a la flexión de un material. Estos ensayos se llevan a cabo cuando el material es demasiado frágil para ser ensayado por deformación. Se denomina flexión al tipo de deformación que presenta un elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal. El término "alargado" se aplica cuando una dimensión es preponderante frente a las otras. Un caso típico son las vigas, las que están diseñas para trabajar, principalmente, por flexión. El rasgo más destacado es que un objeto sometido a flexión presenta una superficie de puntos llamada fibra neutra tal que la distancia a lo largo de cualquier curva contenida en ella no varía con respecto al valor antes de la deformación.

Geometría de la probeta y distribución de momentos en el ensayo de flexión en cuatro puntos. A diferencia de lo que sucedería en un ensayo de tres puntos, en un ensayo de cuatro puntos, la zona central de la probeta está sometida a una tensión uniforme y el momento flector en la parte central es constante. Aplicando los conceptos de mecánica de resistencia de materiales, la tensión máxima de tracción, que se obtiene en la superficie inferior de la muestra se calcula según la expresión (para un ensayo de flexión en cuatro puntos):

σmax = 3P (L - t) / wh2

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Donde P es la carga aplicada, w es el ancho y h el espesor, para una probeta rectangular. Los resultados del ensayo de flexión son similares a las curvas tensión - deformación, sin embargo, la tensión se expresa en función de deflexiones, en lugar de en función de deformaciones. Para un ensayo de flexion en cuatro puntos y una probeta rectangular la deflexión del punto central medida respecto a los puntos de soporte viene dada por: δc = P(L - t) (3L2 - 4(L - t) 2) / 48EI Siendo I el momento de inercia, que en el caso de una probeta rectangular toma el valor I = h3w/12 y E el modulo de Young. Por otro lado, es posible conocer el tamaño del defecto c que origina la fractura, conociendo el factor de tensión crítica KIC (estos valores están tabulados), a través de la expresión: KIC = Y (3Pc/h2d)c1/2 Donde Y es un factor geométrico. El objetivo del ensayo de flexión es determinar las propiedades mecánicas de los materiales relacionadas con los esfuerzos y flechas (deformaciones) en los puntos máximo y de rotura, y módulo elástico en flexión teniendo en cuenta la separación entre apoyos calculada a partir del espesor de la probeta. El ensayo de flexión se realiza en la máquina universal de ensayos, también empleada en otras pruebas como las de tracción, compresión y flexión. En este caso, es necesario cambiar los apoyos y el útil de carga. El ensayo consiste en someter una probeta, apoyada en los extremos, a una fuerza en su eje perpendicular. Existen dos métodos de aplicación del ensayo de flexión: 

Probetas apoyadas en sus extremos, sin tensión y cargadas en la mitad de su longitud: 3 puntos.

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

Probetas apoyadas en sus extremos, sin tensión y cargadas en dos puntos equidistantes en los extremos: 4 puntos.

La realización correcta de ensayos en los materiales es muy importante ya que permite, conocer su comportamiento ante diferentes circunstancias y determinar sus propiedades. Además su realización puede ayudarle a asegurar que sus productos están fabricados según la normativa y legislación que afecta a su sector. Normas de los ensayos de flexión En el caso de la flexión, los ensayos se realizan según las Normas: 

EN ISO 178: Plásticos. Determinación de las propiedades en flexión.



EN ISO 14125: Compuestos plásticos reforzados con fibras. Determinación de las propiedades de flexión.

Ensayo por torsión La torsión en sí se refiere a un desplazamiento circular de una determinada sección transversal de un elemento cuando se aplica sobre éste un momento torsor o una fuerza que produce un momento torsor alrededor del eje. La torsión se puede medir observando la deformación que produce en un objeto un par determinado. Por ejemplo, se fija un objeto cilíndrico de longitud determinada por un extremo, y se aplica un par de fuerzas al otro extremo; la cantidad de vueltas que dé un extremo con respecto al otro es una medida de torsión. Los materiales empleados en ingeniería para elaborar elementos de máquinas rotatorias, como los cigüeñales y árboles motores, deben resistir las tensiones de torsión que les aplican las cargas que mueven.

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La deformación plástica alcanzable con este tipo de ensayos es mucho mayor que en los de tracción (estricción) o en los de compresión.

Ensayo por fatiga La fatiga de materiales es un proceso que conduce a una falla mecánica local, causada por una carga alternada, variable, y generalmente de un valor mucho menor que una carga estática que conduce a la ruptura. La falla mecánica puede caracterizarse por grietas, fisuras o ruptura completa después de un número suficiente de fluctuaciones. Observando la dependencia del material y de la geometría, se puede decir que la fatiga es local, progresiva y acumulativa. Mucho esfuerzo, tiempo e inversión en investigación y ensayos fueron demandados para entender y prevenir las fallas mecánicos debido a fatiga de material.

Estimación y cálculo de la vida en fatiga de materiales. El análisis de fatiga exige que el analista o experimentalista utilice las siguientes informaciones: geometría del componente, cargas aplicadas y propiedades de los materiales. Con esta información y una metodología adecuada, se obtiene la vida o durabilidad de los componentes. La imagen idealiza el flujo de información para la estimación de vida de fatiga de una muestra, componente o sistema. Un dato importante para esta evaluación es la propiedad de material, obtenida a partir de ensayos. Hay tres propiedades del material principales: vida en función de tensión nominal, vida en función de deformación local y la relación tensión deformación cíclica.

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La primera viene dada por una curva denominada SN (tensión-vida): S – stress y N – número de ciclos de carga hasta la falla (vida). Hay que tener en cuenta que las cargas, y consecuentemente las tensiones, son alternadas, cíclicas. Por lo tanto, N es el número de ciclos de carga que se aplican hasta que haya una falla del componente, por ejemplo, la vida del componente dado en número de fallos. La falla se caracteriza por la pérdida de la función. Un típico ensayo para obtener las propiedades de fatiga del material fue elaborado originalmente por August Wöhler: un ensayo de flexión rotativa, donde se espera que la aplicación de carga sea similar a la de un eje rotativo cargado: toda la superficie de la muestra estará sometida a tracción y comprensión a cada ciclo. La propiedad del material de vida en función de la deformación local está dada por una curva llamada E-N (Epsilon – N), donde E es la deformación local y N es el número de ciclos de carga hasta la falla. En este tipo de ensayo, la falla está dada por el inicio de la grieta y el ensayo es hecho para muestras estandarizadas. Las muestras utilizadas en este ensayo son de alta calidad, con superficie tratada para evitar tensión residual y pulida. La premisa de ausencia de grietas iníciales es fundamental. El ensayo es realizado con las propiedades presentadas de acuerdo con E0606 Standard Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing e ASTM STP 465 Manual on Low Cycle Fatigue Testing. Las curvas E-N (Deformación-Vida) y la curva Tensión – Deformación cíclicas son obtenidas. Se observa una curva E-N:

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Del mismo ensayo se obtiene la curva tensión-deformación cíclica (CSSC – cyclic stress strain curve) del material. En la figura siguiente hay una curva tensión deformación cíclica extraída de la extremidad de ciclos histereticos y comparada a una curva tensión deformación monotónica que es extraída de un ensayo estático de material.

Estimación de vida a fatiga. Los métodos de estimación de vida a fatiga SN y EN son parte de las herramientas de análisis estructural CAE basados en el método de los elementos finitos. Las propiedades mecánicas del material, en especial las curvas SN y EN, obtenidas en los ensayos de fatiga son reportadas por el software. El modelo matemático de elementos finitos representa naturalmente la geometría del componente, las cargas alternadas, las tensiones y deformaciones calculadas son otros datos necesarios para efectuar la estimación de vida. Este ensayo virtual permite evaluar la vida de la estructura con rápida alteración de cualquiera de las variables (geometría, cargas, propiedades) por un costo más bajo en relación a un ensayo en laboratorio.

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La herramienta ANSYS Mechanical Workbench Fatigue es utilizada para casos simples de cargas con recursos básicos para estimación de vida a fatiga. Además existe una segunda herramienta completa para estimar vida a fatiga, ANSYS nCode Design Life, desarrollado en conjunto con la compañía HBM-Prenscia (nCode).

Estimación de vida calculada con ANSYS Mechanical Fatigue

El uso de herramientas CAE permite la evaluación de vida de estructuras en etapas iníciales de proyectos, en fase de detalles, en fase de ensayo y prototipado del componente y, más tarde, para la estructura en servicio. Con esto, el análisis se vuelve muy útil para entender comportamientos y, estimar la vida en fatiga de estructuras. Este análisis permite evaluar si las fallas ocurrirán y tomar decisiones que las eviten.

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Ensayo de cizallamiento

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Primero para poder entender el ensayo de cizallamiento debemos conocer el significado de cizalla dura o cortadura, el cual corresponde al esfuerzo y la fuerza que la originan están contenidos en la misma sección sobre la que actúan, teniendo a cortar la pieza por deslizamiento de secciones contiguas.

Ensayo de cizallamiento Ensayo de tipo tecnológico consistente en someter un material a esfuerzos crecientes y progresivos hasta llegar a la rotura. 

Se realiza sobre materiales que van a estar sometidos a fuerzas de corte (chavetas, lengüetas, espárragos, tornillos, pernos).



En el ensayo de cizallamiento se generan fuerzas transversales en una pieza de material.

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En el procedimiento experimental el dispositivo de cizallamiento de este experimento se compone de ambas mordazas de cizalla templadas para alojamiento de la muestra y de la cubre junta de tracción con la cuchilla tundidora templada. La cuchilla tundidora ataca sin juego entre las dos mordazas de cizalla. Con ello se secciona la muestra a dos cortes. De esta forma se evitan prácticamente cargas de flexión que pudieran adulterar el resultado. El dispositivo se instala sin más dificultades en el sector de tracción del equipo de comprobación. Se emplean muestras de cobre de 6mm de diámetro.

Diagrama de esfuerzos-deformaciones en un ensayo de cizalla dura.

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Objetivo del ensayo Este concepto de ensayo se aplica principalmente para la caracterización del cizallamiento en plano. Teóricamente, cualquiera de los seis planos de cizallamiento posibles se puede analizar por separado. Sin embargo, la fabricación de laminados para la medición de las propiedades de cizalladura puede ser muy compleja y no se suele aplicar habitualmente. Los procedimientos son aptos tanto para compuestos de fibras unidireccionales como para fibras y tejidos de 0°/90°. Los laminados con capas de 45° no se pueden medir con este método, ya que las tensiones normales en las capas de 45° serían demasiado elevadas y falsificarían los resultados.

A través de la entalla, al deformarse la probeta, se produce una concentración de la tensión de cizalladura que acaba provocando la rotura. A lo largo de este plano, se mide la deformación de cizalladura con dos bandas extenso métricas dispuestas a ± 45°. Hay dos versiones del procedimiento normalizadas. 

El método Iosipescu según ASTM D 5379 y



el método de cizallamiento de entalladura en carril en V según ASTM D 7078

Hay más métodos con los que se pueden caracterizar las propiedades de cizalladura en plano.

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Método Iosipescu, ASTM D 5379 

Como la probeta es relativamente pequeña, este método es ideal para mediciones en fibras unidireccionales y de 0°/90° con una estructura de fibras relativamente fina.



El útil de ensayo está formado por una sujeción fija y una dispuesta en sentido longitudinal, a través de la cual se inicia la deformación con una máquina de ensayos. Así, bajo carga de compresión se produce entre las entalladuras una zona de carga de cizallamiento libre de momentos.



Los resultados son comportamiento en cizalla, 0,2% tensión de cizalladura, tensión de cizalladura máx. y módulo de cizallamiento secante.

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Método de cizallamiento de entalladura en carril en V, ASTM D 7078



En este método se emplea, en comparación con el método Iosipescu, se emplea una probeta más grande, así que es ideal para mediciones en laminados de tejidos más gruesos.



La deformación de cizalladura se induce a través de dos piezas de las mordazas, que durante la medición se mueven en sentido de tracción. La construcción normativa de las mordazas no prevé ninguna guía directa, como en el método Iosipescu.



Antes del ensayo, las mordazas deberán alinearse de forma exacta mediante los dispositivos de ajuste.



Los resultados son comportamiento en cizalla, 0,2% tensión de cizalladura, tensión de cizalladura máx. y módulo de cizallamiento secante.

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El ensayo de cizallamiento se emplea en la comprobación de tornillos, remaches, pasadores y chavetas, para determinar la resistencia al cizallamiento del material y el comportamiento del material bajo esfuerzo de cizallamiento. Para ello, se generan en la probeta tensiones de cizallamiento por medio de esfuerzos cortantes aplicados desde fuera, hasta que la probeta falla y se termina desgarrando. La resistencia de un material frente al esfuerzo de cizallamiento se puede determinar con ayuda de dos procedimientos; el procedimiento de ensayo de corte simple y el de corte doble. En el procedimiento de corte doble, se realizan dos cortes transversales en las probetas; en el procedimiento de corte simple, solo se realiza un corte en la probeta. El cálculo de la resistencia de cizallamiento en ambos procedimientos se diferencia en el área de sección transversal aplicable. La resistencia al cizallamiento calculada por medio del ensayo de cizallamiento es de vital importancia en el dimensionado de tornillos, remaches y pasadores, así como en el cálculo de la fuerza necesaria para el corte o el troquelado.

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