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• Romel Quispe

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• Ciencias físicas

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ENSAYOS REALIZADOS Y NECESARIOS PARA EL ACERO 1.0. INTRODUCCIÓN. los aceros son unos de los materiales más utilizados en la industria, dentro del proceso de producción de estos se realizan diferentes tratamientos térmicos para mejorar las propiedades del material. Tratamientos como el temple, revenido, normalizado, etc. son necesarios para poder obtener un acero adecuado para los distintos usos. A su vez dentro de este contexto encontramos a los ensayos destructivos y no destructivos, que son parte fundamental de la industria para poder comprobar las propiedades del material, estos ensayos son de fácil aplicación y de bajo costo, y nos permiten tener una idea rápida y concreta acerca del material que se está poniendo a prueba. Se denomina ensayo de materiales a toda prueba cuyo fin es determinar las propiedades mecánicas de un material. Todas las casas, todos los automóviles, como cualquier estructura o maquinaria están constituidos por diferentes materiales, elegidos por sus propiedades para poder ser utilizados en una determinada aplicación. El diseño de la forma y de las secciones se debe realizar con criterios económicos, es decir, se debe emplear la menor cantidad posible de material, pero también se debe cumplir una serie de especificaciones de seguridad para evitar que se produzcan fallos mecánicos. Es de suma importancia por tanto el conocimiento de las propiedades de los materiales para realizar un diseño adecuado. Para la determinación de las propiedades existen una serie de ensayos normalizados 2.0. TIPOS DE ENSAYOS. Los materiales suelen someterse a una variedad de ensayos para conocer sus propiedades. De esta manera se intenta simular las condiciones a las que van a estar expuestas cuando entren en servicio

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2.1- SEGÚN LA RIGUROSIDAD DEL ENSAYO

2.1.1. ENSAYOS CIENTÍFICOS Se obtienen resultados referentes a los valores numéricos de ciertas magnitudes físicas. Permiten obtener valores precisos y reproducibles de las propiedades ensayadas, pues las condiciones a las que se somete el material se encuentran normalizadas. Un ejemplo de este ensayo es el ensayo de tracción, del que se obtiene la resistencia a la tracción, y se expresa en kp/mm² 2.1.2. ENSAYOS TECNOLÓGICOS Se utilizan para comprobar si las propiedades de un material o pieza son adecuadas para cierta utilidad o si dichas propiedades son las que se presuponen. Un ejemplo de este ensayo son las pruebas de caída, los de maleabilidad para un material de forja o las de flexión alternativa en alambres, en la que se cuenta el número de veces que una pieza de alambre se puede doblar alternativamente sin que se rompa.

2.2.0 SEGÚN LA NATURALEZA DEL ENSAYO

2.2.1 ENSAYOS QUÍMICOS Permiten conocer la composición cualitativa y cuantitativa del material, la naturaleza del enlace químico y la estabilidad del material en presencia de líquidos o gases corrosivos. 2.2.2. ENSAYOS FÍSICOS Se cuantifican la densidad, el punto de ebullición, el punto de fusión, la conductividad eléctrica, la conductividad térmica, etc. 2.2.3. ENSAYOS MECÁNICOS Se determina la resistencia del material mediante su sometimiento a distintos esfuerzos. Varios ejemplos de estos ensayos son los ensayos de tracción, dureza, choque, fatiga o ensayos tecnológicos. 2.2.4. ENSAYOS MECANOGRÁFICOS Consisten en analizar la estructura interna del material mediante un microscopio. Estructuras metálicas

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2.3.0 SEGÚN LA UTILIDAD DE LA PIEZA DESPUÉS DE SER SOMETIDA AL ENSAYO Los ensayos de materiales pueden ser de dos tipos, ensayos destructivos y ensayos no destructivos. Estos últimos permiten realizar la inspección sin perjudicar el posterior empleo del producto, por lo que permiten inspeccionar la totalidad de la producción si fuera necesario. 2.3.1. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS Se analizan las grietas y defectos internos de una pieza, sin tener en cuenta las propiedades del material y sin dañar su estructura. Varios ejemplos de estos ensayos son los análisis derayos X y los análisis por ultrasonidos. Estrictamente estos métodos no pertenecen a ensayos de materiales, ya que únicamente se analizan los defectos en una pieza concreta, aunque por otra parte existen ensayos cuya inclusión resulta dudosa, como el ensayo de estanqueidad en tubos, porque se desconoce si se deteriora o no la estructura del material. Entre los ensayos no destructivos se encuentran los siguientes:  Ensayo de Durezas (en algunos casos no se considera como ensayo no destructivo, cuando puede comprometer la resistencia de la pieza a cargas      

estáticas o a fatiga) Inspección visual, microscopía y análisis de acabado superficial Ensayos por líquidos penetrantes Inspección por partículas magnéticas Ensayos radiológicos Ensayos por corrientes inducidas Ensayos de fugas: detección acústica, detectores específicos

de

gases, cromatografías,

de

detección

de

flujo, espectrometría

masas, manómetros, ensayos de burbujas, etc. 2.3.2 . ENSAYOS DESTRUCTIVOS Se produce la rotura o daño sustancial en la estructura del material. Varios ejemplos de estos ensayos son los ensayos mecánicos de tracción o dureza, los ensayos físicos, como la determinación de los puntos de fusión y ebullición, el ensayo químico frente a corrosión, el ensayo de tensión, flexión, compresión, etc. Algunos ensayos que son importantes conocer para el uso del acero. Estructuras metálicas

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3.0. ENSAYO DE TRACCION

Debido a la gran cantidad de información que puede obtenerse a partir de este ensayo, es sin duda uno de los test mecánicos más empleados para el acero. La versatilidad del ensayo de tracción radica en el hecho de que permite medir al mismo tiempo, tanto la ductilidad, como la resistencia. El valor de resistencia es directamente utilizado en todo lo que se refiere al diseño. Los datos relativos a la ductilidad, proveen una buena medida de los límites hasta los cuales se puede llegar a deformar el acero sin llegar a la rotura; este ensayo consiste en someter una barra, de sección uniforme y conocida, a una fuerza de tracción que va aumentando progresivamente en forma simultánea se van midiendo los correspondientes alargamientos de la barra, la figura 01 muestra un esquema de una máquina para ensayos de tracción, en la que se estira la barra a una velocidad constante, con los resultados de la elongación de la barra, se puede graficar una curva de carga contra alargamiento, que generalmente se registran como valores de esfuerzo y deformación unitarios, y son independientes de la geometría de la barra (figura 2).

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FIGURA 1. ESQUEMA DE UNA MÁQUINA PARA ENSAYOS DE TRACCIÓN.

FIGURA 2 CARGA VS ALARGAMIENTO

FIGURA 3 MAQUINA DE TRACCIÓN

Al iniciarse el ensayo, el material se deforma elásticamente; esto significa que si la carga

se

elimina,

la

muestra

recupera

su

longitud

inicial.

Cuando el esfuerzo alcanza su máximo valor de resistencia a la tensión, se forma en la Estructuras metálicas

barra Página 5

una

estricción o cuello (figura 5.15), la cual es una reducción localizada en el área de la sección transversal, en la que se concentra todo el alargamiento posterior. Una

vez

formado

este

cuello,

el

esfuerzo

disminuye

al

aumentar

la

deformación y continúa disminuyendo hasta que la barra se rompe.

3.1. DETERMINACIÓN DEL ALARGAMIENTO.

Alargamiento es el porcentaje que el acero se alarga cuando es sometido a una carga que pase su límite de fluencia. La determinación del alargamiento se hace por la comparación entre la distancia entre dos marcas hechas en la barra antes del ensayo, denominado largo inicial l0, y la distancia entre las dos marcas después que se rompe la barra, denominado largo final l1 (figura 5.15), el largo inicial utilizado es 10 veces el diámetro nominal.

En conclusión el ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la misma, este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente; las velocidades de deformación en un ensayo de tensión suelen ser muy pequeñas (ε = 10–4 a 10–2 s–1). Estructuras metálicas

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PROBETA DE COBRE DURANTE EL ENSAYO DE TRACCIÓN.

Probeta de cobre fracturada después del ensayo de tracción.

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CURVA TENSIÓN-DEFORMACIÓN.

GRÁFICA OBTENIDA POR COMPUTADORA EN EL ENSAYO DE TENSIÓN.

3.2. DIAGRAMA DE TENSIÓN–DEFORMACIÓN TÍPICO DE UN ACERO DE BAJO LÍMITE DE FLUENCIA. Estructuras metálicas

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En el ensayo se mide la deformación (alargamiento) del acero entre dos puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga aplicada, y se representa gráficamente en función de la tensión (carga aplicada dividida por la sección de la probeta), en general, la curva tensión-deformación así obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas: 3.3. DEFORMACIONES ELÁSTICAS. Las deformaciones se reparten a lo largo de la probeta, son de pequeña magnitud y, si se retirara la carga aplicada, la probeta recuperaría su forma inicial. el coeficiente de proporcionalidad entre la tensión y la deformación se denomina módulo de elasticidad o de young y es característico del material. Así, todos los aceros tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes, la tensión más elevada que se alcanza en esta región se denomina límite de fluencia y es el que marca la aparición de este fenómeno, pueden existir dos zonas de deformación elástica, la primera recta y la segunda curva, siendo el límite de proporcionalidad el valor de la tensión que marca la transición entre ambas. Generalmente, este último valor carece de interés práctico y se define entonces un límite elástico (convencional o práctico) como aquél para el que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.), se obtiene trazando una recta paralela al tramo proporcional (recto) con una deformación inicial igual a la convencional.

3.4. FLUENCIA O CEDENCIA. Es la deformación brusca del acero sin incremento de la carga aplicada, el fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, mecanismo mediante el cual el material se deforma plásticamente alcanzado el límite de fluencia se logra liberar las dislocaciones produciéndose la deformación bruscamente la deformación en este caso también se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta pero concentrándose en las zonas en las que se ha logrado liberar las dislocaciones (bandas de lüders) no todos los materiales presentan este fenómeno,

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en cuyo caso la transición entre la deformación elástica y plástica del material no se aprecia de forma clara. 3.5. DEFORMACIONES PLÁSTICAS. Si se retira la carga aplicada en dicha zona, el acero recupera sólo parcialmente su forma quedando deformada permanentemente, las deformaciones en esta región son más acusadas que en la zona elástica. 3.6. ESTRICCIÓN. Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran en la parte central de la probeta apreciándose una acusada reducción de la sección de la probeta, momento a partir del cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta por esa zona.La estricción es la responsable del descenso de la curva tensión-deformación; realmente las tensiones no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se representa es el cociente de la fuerza aplicada (creciente hasta el comienzo de la estricción) entre la sección inicial: cuando se produce la estricción la sección disminuye (y por tanto también la fuerza necesaria), disminución de sección que no se tiene en cuenta en la representación gráfica. Los materiales frágiles no sufren estricción ni deformaciones plásticas significativas, rompiéndose la probeta de forma brusca. Terminado el ensayo se determina la carga de rotura, carga última o resistencia a la tracción: la máxima resistida por la probeta dividida por su sección inicial, el alargamiento en (%) y la estricción en la zona de la rotura.

otras características que pueden caracterizarse mediante el ensayo de tracción son la resiliencia y la tenacidad, que son, respectivamente, las energías elástica y total absorbida y que vienen representadas por el área comprendida bajo la curva tensióndeformación hasta el límite elástico en el primer caso y hasta llegar a rotura en el segundo

4.0. ENSAYO DE DUREZA DEL ACERO Estructuras metálicas

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El ensayo de dureza mide la resistencia de un material a la penetración de un punzón o una cuchilla. Este penetrador es también llamado durómetro. El durómetro usualmente consta de una esfera, pirámide o un cono de un material mucho más duro que el acero que se está midiendo. La profundidad hasta la cual penetra este material nos entrega un valor, el que está tabulado, obteniéndose así una medida de la dureza del acero. Dado que el ensayo de dureza puede hacerse fácilmente, la información obtenida puede ser evaluada inmediatamente Existen varios métodos para medir la dureza, a continuación nombraremos los tres más comunes, el método Brinell el vickers y El método Rockwell. El más usado en metales es la resistencia a la penetración de una herramienta con determinada geometría.

Algunas de las escalas más empleadas son: • HBN (Hardness Brinell Number) • HRA, HRB, HRC, .. (Hardness Rockwell series A, B, C, …) • VHN o HV (Hardness Vickers Number) • KHN o HK (Hardness Knoop)

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Dureza Brinell (NB 297; ASTM E10).- En él, una esfera de 10 mm de diámetro, usualmente de un acero endurecido, se presiona contra la superficie del material bajo una carga estática de 3.000 kg. El tamaño de la huella nos entrega una medida de la dureza bajo las condiciones del ensayo.

Dureza Rockwell (NB 346; ASTM E18).- A diferencia del anterior, en el test de Rockwell se aplica primero una carga pequeña (de menos de 10 kg), lo que hace que Estructuras metálicas

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el indentador penetre hasta una cierta profundidad. Luego se aplica la carga mayor predeterminada. La diferencia en la penetración nos entrega una medida de la dureza del acero.

Ensayo de dureza Brinell Este ensayo consiste en oprimir una bola de acero endurecido contra una probeta. De acuerdo con las especificaciones de la ASTM (ASTM E 10), las estipulaciones de las cuales se siguen aquí, se acostumbra usar una bola de 10 mm y una carga de 3000 Kg, para metales duros, 1500Kg para metales de dureza

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Prueba de dureza Vickers El ensayo de dureza Vickers fue desarrollado en 1924 por Smith y Sandland en Vickers Ltd como una alternativa a la Brinell método para medir la dureza de los materiales. [1] El ensayo Vickers es a menudo más fácil de usar que otros ensayos de dureza ya que los cálculos necesarios son independientes del tamaño de la Indentador, y la Indentador puede ser utilizado para todos los materiales independientemente de su dureza. El principio básico, al igual que con todas las medidas de dureza, es de observar el material en tela de juicio la capacidad de resistir a la deformación plástica de una fuente estándar. El Vickers prueba puede usarse para todos los metales y tiene una de las escalas más amplia entre los ensayos de dureza. La unidad de dureza determinado por la prueba que se conoce como la pirámide Número Vickers (HV). La dureza se pueden convertir en unidades de pascales, pero no debe confundirse con una presión, que también tiene unidades de pascales. La dureza está determinada por la carga sobre la superficie de la sangría, y no el área normal a la

5. 0. ENSAYO DE FATIGA Un ensayo de fatiga es aquel en el que la pieza está sometida a esfuerzos variables en magnitud y sentido, que se repiten con cierta frecuencia. Muchos de los materiales, sobre todo los que se utilizan en la construcción de máquinas o estructuras, están sometidos a esfuerzos variables que se repiten con frecuencia. Es el caso de los árboles de transmisión, los ejes, las ruedas, las bielas, los cojinetes, los muelles, etc. Cuando un material está sometido a esfuerzos que varían de magnitud y sentido continuamente, se rompe con cargas inferiores a las de rotura normal para un esfuerzo de tensión constante.

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Si a un material se le aplican tensiones repetitivas (cíclicas) de tracción, compresión, flexión, torsión, etc., comenzaremos por medir los valores de los esfuerzos a que están sometidas las piezas El valor máximo de la tensión a que esta sometida. El valor mínimo de la tensión. La diferencia entre el valor máximo y mínimo. El valor medio (σmed). Existe un valor de ΔσF por debajo del cual no se produce rotura por fatiga. Es el límite de fatiga. La carga de fatiga es repetitiva (cíclica) y posee un valor máximo y mínimo en cada ciclo. Pues bien, la diferencia entre ambos valores (ΔσF) es el límite de fatiga, independientemente del número de veces que se repite la acción. En el gráfico, se observa uno de los ciclos de los esfuerzos variables a los que está sujeto el material. Estos ciclos se repiten, aunque no necesariamente deben ser iguales. Si la diferencia entre el esfuerzo máximo (σmax) y el esfuerzo mínimo (σmin) que sufre la pieza en un determinado ciclo supera el valor (ΔσF), entonces se corre el riesgo de rotura si este fenómeno se repite durante varios ciclos.

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6.0. ENSAYO DE RESILIENCIA (ENSAYO DE IMPACTO CHARPY) Este ensayo nos permite determinar la tenacidad o sensibilidad del acero a la rotura frágil.

Consiste en romper una probeta paralepipédica de 10x10x55 mm, mecanizada con una entalla en el centro. La probeta se coloca en el aparato de ensayo (péndulo de Charpy). Se golpea con una masa sujeta a un péndulo en la cara opuesta a la entalla, de forma que la probeta rompa con un solo golpe y se mide la energía consumida al romper la probeta. Esta energía, dividida por la sección útil de la probeta, es la resiliencia de material y se expresa en J/cm2. Estructuras metálicas

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Si los ensayos se realizan variando la temperatura se encuentra que la energía necesaria para romper la probeta en función de la temperatura del ensayo. Por debajo de una temperatura determinada, la energía necesaria para romper la probeta desciende bruscamente. Esta temperatura se denomina Temperatura de transición, Tt. Energía de Impacto Charpy vs. Temperatura

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Aceros al carbono

6.0. ENSAYO DE FLUENCIA Método para determinar el comportamiento de relajación de la fluencia o esfuerzo. Para determinar las propiedades de fluencia, el material se somete a una tensión constante prolongada o a una carga de compresión a temperatura constante. La deformación se registra en intervalos de tiempo especificados y se traza un diagrama de fluencia y tiempo. La pendiente de la curva en cualquier punto es la velocidad de fluencia. Si se produce un fallo, se termina el ensayo y se registra el momento de rotura. Si la probeta no se rompe dentro del período de ensayo, se puede medir la recuperación de la fluencia. Para determinar la relajación de esfuerzos del material, la probeta se deforma una cantidad determinada y se registra la disminución del esfuerzo durante un período prolongado de exposición a temperatura constante. Los procedimientos de ensayo de fluencia estándares se describen con detalle en ASTM E-139, ASTM D-2990 y D-2991 (plásticos) y ASTM D-2294 (adhesivos).

Se entiende por fluencia la deformación dependiente de la temperatura. Los ensayos de fluencia se realizan a temperaturas > 0.4TF (temperatura de fusión en K) y aplicando una carga constante. Los ensayos de termofluencia se realizan aplicando

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un esfuerzo constante de tensión a una probeta cilíndrica que se encuentra en el interior de un horno. 6.1. FLUENCIA PRIMARIA: La velocidad de deformación disminuye con el tiempo debido a un endurecimiento del material 6.2. FLUENCIA SECUNDARIA O ESTACIONARIA: La velocidad de deformación alcanza un mínimo (

e min

)

6.3. FLUENCIA TERCIARIA: La velocidad de deformación aumenta hasta la rotura del material. El material presenta estricción (reducción de la sección en un área local de la probeta) Si aumentan la temperatura y la carga también aumentan la deformación instantánea y la pendiente de la fluencia secundaria, mientras disminuye el tiempo de rotura. A temperatura constante si aumenta la carga también lo hace la deformación mínima ( e min

)

e σ =A (¿¿ min)m ¿ σ = esfuerzo de tensión = SVD (sensibilidad a la velocidad de deformación), da una idea del mecanismo de deformación y su valor 0