NORMATIVIDAD EN PROBETAS PARA ENSAYOS
REINALDO GABRIEL PEÑA POLO
INSTITUTO TECNICO DE SOLEDAD ATLANTICO, ITSA PROGRAMA TECNICO EN PROCESOS P ROCESOS INDUSTRIALES MATERIALES DE INGENIERIA BARRA BA RRANQ NQUI UILLA LLA - 2015 2015
Introducción
Después Después de la la fabrica fabricació ciónn de los ma mater terial iales, es, éstos éstos se ponen ponen al serv servici icioo de los los usuario usuarios, s, y pueden estar sujetos a fuerzas o cargas. Debido a esto, es necesario conocer las características del material para diseñar el elemento donde será utilizado, de modo que los esfuerzos previstos de uso no sean excesivos, y el material no se deforme o fracture ante las fuerzas fuerzas o cargas aplicadas. aplicadas. A las verificacione verificacioness del comportamiento comportamiento mecá mecánico nico de los materiales se le denomina ensayo. Un ensayo que tiene por objetivo definir la resistencia elástica, resistencia última y plasticidad del material cuando se le somete a fuerzas uniaxiales. Se requiere una máquina, prensa hidráulica por lo general, capaz de: a) Alcanzar la fuerza suficiente para producir la fractura de la probeta. b) Controlar Controlar la velocidad velocidad de aumento de fuer fuerzas. zas. c) Registrar las fuerzas, F, que se aplican y los alargamientos, DL, que se observan en la probeta. Las probetas para ensayos de tensión tensión se fabrican en diversas diversas formas. La sección transversal de la probeta puede ser redonda, cuadrada o rectangular. Para la mayoría de los casos, en metales, se utiliza comúnmente una probeta de sección redonda. Para láminas y placas generalmente se emplea una probeta plana. Las probetas probetas son normalizadas, normalizadas, cilíndricas, cilíndricas, cuadrada, cuadrada, rectangul rectangular ar o planas. Para la mayoría de los casos, en metales, se utiliza comúnmente una probeta de sección redonda. Para láminas láminas y pla placas cas generalmente generalmente se emplea emplea una prob probeta eta pla plana. na.
Figura 1.1 Probeta para ensayo de tracción
El esfuerzo axial σ en el espécimen de prueba (probeta) se calcula dividiendo la carga P entre el área de la sección transversal (A): σ
P A
Cuando en este cálculo se emplea el área inicial de la probeta, el esfuerzo resultante se denomina esfuerzo nominal (esfuerzo convencional o esfuerzo de ingeniería). Se puede calcular un valor más exacto del esfuerzo axial, conocido como esfuerzo real . La deformación unitaria axial media se determina a partir del alargamiento medido “ “ entre las marcas de calibración, al dividir entre la longitud calibrada L 0. Si se emplea la la longitud calibrada inicial se obtiene la deformación unitaria nominal ( ε). ε
δ
Lo
Después de realizar realizar una prueba de tensión y de establecer el esfuerzo esfuerzo y la deformación deformación para varias magnitudes de la carga, se puede trazar un diagrama de esfuerzo contra deformación. Tal diagrama diagrama es característico del material y proporciona información importante acerca de las propiedades mecánicas y el comportamiento típico típico del material. En la figura 1.2 se muestra el diagrama esfuerzo deformación representativo de los materiales dúctiles . El diagrama empieza con una línea línea recta desde O hasta A. En esta región, el esfuerzo esfuerzo y la deformación son directament directamente e proporcionales, proporcionales, y se dice que el comportamiento del material es lineal. Después del punto punto A ya no existe una relación lineal entre el esfuerzo y la deformación, por lo que el esfuerzo en el punto A se denomina límit límitee de proporcionalid proporcionalidad. ad. La relación relación lineal entre el esfuerzo esfuerzo y la deformación puede expresarse mediante la ecuación σ = E ε, donde E es una constante de proporcionalidad conocida como el módulo de elasticidad del material. El módulo de elasticidad es la pendiente del diagrama esfuerzo-deformación en la región linealmente elástica elástica y su valor depende depende del material particular particular que se utilice. utilice.
Figura 1.2 Diagrama esfuerzo-deformación de materiales dúctiles en tensión (fuera de escala)
La ecuación σ = Eε se conoce comúnmente como ley de Hooke .
Figu Figura ra 1.3 1.3 Máquina para ensayo de tracción
Figura 1.4 Formas de realización de ensayos
Después de sufrir las grandes deformaciones que se presentan durante la fluencia en la región BC el material empieza a mostrar un endurecimiento por deformación. Durante este proceso, proceso, el material sufre sufre cambios en sus estructuras estructuras cristalina cristalina y atómica, atómica, lo que origina un incremento en la la resistencia del material a futuras deformaciones. Por tanto, un alargamiento adicional requiere de un incremento en la carga de tensión, y el diagrama esfuerzo-deformación toma una pendiente positiva desde C hasta D. Finalmente la carga alcanza su valor máximo y el esfuerzo correspondiente (en el punto D) se denomina esfuerzo último. último. De hecho, el alargamiento posterior de la barra se acompaña de una reducción reducción en la carga y finalmente finalmente se presenta presenta la fractura en un punto E, tal como se indica en el diagrama. Se presenta una contracción lateral de la muestra cuando se alarga, lo que origina una reducción en el área de la sección transversal. La reducción en el área es muy pequeña como para tener un efecto efecto apreciable apreciable en el valor de los esfuerzos calculados calculados antes del punto C, pero más allá de este punto la reducción comienza a modificar el perfil del diagrama. Desde luego, el esfuerzo real es mayor que el esfuerzo nominal debido a que se calcula con un área menor. En la cercanía del esfuerzo último, la disminución del área se aprecia claramente y ocurre un estrechamiento pronunciado de la barra, conocido como estricción. Si para el
cálculo del esfuerzo se emplea el área de la sección transversal en la parte estrecha del cuello ocasionado por la estricción, la curva real esfuerzo-deformación seguirá la línea punteada CE’. La carga total que puede resistir la probeta se ve efectivamente disminuida después de que se alcanza el esfuerzo último (curva DE), pero esta disminución se debe al decremento en área de la probeta y no a una pérdida de la resistencia misma del material. En realidad, el material soporta un aumento de de esfuerzo hasta el punto de falla (punto E’). Sin embargo, con fines prácticos la curva esfuerzo-deformación convencional OABCDE, basada en el área transversal original de la muestra y que, por lo tanto, se calcula fácilmente, suministra información satisfactoria satisfactoria para emplearla en el diseño. La ductilidad de un material a tensión puede caracterizarse por su alargamiento total y por la disminución de área en la sección transversal donde ocurre la fractura. La elongación porcentual se define como sigue:
Elongación Elongación
L f
Lo
Lo
(100)
donde Lo es la longitud calibrada original y L f es la di dista stanci nciaa entre entre las marcas marcas de calibración al ocurrir la fractura. La reducción porcentual de área mide el valor de la estricción que se presenta y se define como sigue:
R A
Ao
Ao
Af
(100)
Donde Ao es el área original de la sección transversal y A f es el área final en la sección de la fractura. Los materiales que que fallan en tensión a valores relativamente bajos de deformación unitaria se clasifican como materiales frágiles. En este ensayo ensayo las propiedad propiedades es usualmente usualmente determinadas determinadas son: son: La resistenci resistenciaa a la cedencia (punto de cedencia), la resistencia a la tensión, la ductilidad (El alargamiento y la reducción de área), el módulo de elasticidad y el tipo de fractura.
Ensayos y normativa
Ens ayo s m ecánic os
Las probetas probetas sson on normalizada normalizadas. s. Los ensayo ensayoss mecánicos mecánicos permiten permiten la det determinac erminación ión ddee datos específicos de los termoplásticos (resistencia y módulo elástico) necesarios para su aplicación en el diseño de ingeniería o en el control de calidad. A continuación se relacionan las normas que regulan los ensayos mecánicos en probetas. Ensayo Ensayo de Tracció Tracción n (Norm (Normas as UNE 53 023, 023, ASTM ASTM D 638, ASTM ASTM E8, E8, DIN 53455, 53455, ISO ISO 527)
Consiste en deformar una probeta haltera, a lo largo de su eje mayor, a velocidad constante y aplicando fuerza hasta su rotura. Las probetas pueden ser moldeadas por inyección, o mecanizadas a partir de placas moldeadas por compresión. Se les da un acondicionamiento normalizado. Su espesor es alrededor de 3 ó 4 mm. Ambos extremos extrem os de la probeta se sujetan fuertemente en las mordazas de d e una máquina m áquina de ensayo .Las mordazas se separan a velocidad constante de 1, 2, 5, 10, 10, 50, 100, 200, 500 mm/ min., tirando tirando de la probeta probeta desd desdee ambos extremos. extremos. El esfuerzo esfuerzo es registrado gráficamente frente a la deformación (alargamiento). Las propiedades de tracción son la mejor indicación de la resistencia de un material. La fuerza necesaria para tirar la probeta se determina conjuntamente con el alargamiento de rotura. El módulo elástico, es la relación del esfuerzo a la deformación por debajo del límite proporcional del material. Es el dato de tracción más útil, porque las piezas se deberán diseñar de tal manera que los esfuerzos estén por debajo de este valor. Hay un gran beneficio en el alargamiento moderado, pues esta cualidad permite absorber los impactos y choques rápidos. Así, el área total bajo la curva esfuerzodeformación, es un índice de la tenacidad global del material. Una material con una resistencia a la tracción muy alta y poco alargamiento será quebradizo. Para medir el alargamiento con precisión se necesita un dispositivo electrónico (extensómetro) de medición fina del mismo, sobre todo para determinar el módulo de elasticidad. Si la longitud de la probeta sufre un estiramiento muy considerable (>50 mm), como como puede puede sser er en en el caso ddee termoplástico termoplásticoss biorientados biorientados o láminas láminas blandas blandas,, basta con medir la variación de distancia entre mordazas para determinar el alargamiento. Ensayo de Tenacidad a la fractura bajo la Norma ASTM E1820
La tenaciadad a la fractura de las microestructuras a estudiar fue evaluada en el laboratorio de Propiedades Mecánicas de la Universidad Nacional del Comahue localizado localizado en la ciudad ciudad de Neuq Neuqénén- Argentina. Argentina. Esta Esta propiedad propiedad se hac hace e importante importante da dado do que permite valorar cual microestructura puede soportar tamaños de grietas mayores antes de fallar por fractura frágil; diferentes trabajos han buscado ralacionar esta propiedad en materiales de rueda y riel con el desempeño durante su vida últil últil Ensayos Ensayos de Flexión Flexión (Normas (Normas UNE 53022, 53022, DIN 53452, 53452, ASTM ASTM D 790, ISO 178) 178)
Las probetas se fabrican por prensado o inyección. Son rectangulares. Ésta se coloca en un equipo similar similar al empleado empleado en el ensay ensayo o de tracción, tracción, pero que dispone dispone de dos soportes distanciados entre sí de 16 x espesor (mm). Se aplica una carga en el centro de la probeta a una velocidad determinada y al igual que en tracción se registra la gráfica gráfica fuerza fuerza – def deforma ormació ción n (flecha). (flecha). La resistencia y el módulo elástico se determinan a partir de los valores de fuerza máxima y la relación relación fuerza – flecha flecha.. Los valores valores obtenidos obtenidos en flexión flexión son similares similares a los obtenidos por tracción. Para materiales materiales flexibles flexibles o que no rompen por doblado no se realiza este ensayo. ensayo. Ensayo Ensayos s de Impacto Impacto
Hay dos métodos de ensayo: el Impacto Charpy , descrito por las normas UNE 53021, ASTM D 256, ASTM E23, DIN 53453, y el Impacto Izod , definido en las normas UNE 53193 y ASTM D 256. Los resultados resultados de ambos ambos ensayos nno o son comparables comparables debido debido a las dif diferencias erencias en en cuanto a la geometría de las probetas y de las entallas. En general, los plásticos son muy sensibles a los esfuerzos súbitos de un impacto y especialmente si las probetas tienen una entalla. En el impacto Charpy los extremos de las muestras descansan horizontalmente sobre apoyos y el martillo impacta en el punto central, entre los dos apoyos. Por el contrario en el ensayo Izod la probeta se sujeta por un extremo y el martillo golpea en el otro. Las dimensiones y geometría de las probetas de ensayo Charpy se pueden apreciar en la figura 1.5.
Figura 1.5 Dimensiones y geometría de probetas de Ensayo Charpy.
Los valores de resiliencia (J / mm²) obtenidos en ensayos de impacto no son utilizables para el cálculo o diseño de piezas. Sin embargo, permiten diferenciar entre plásticos a tenor de su diferente sensibilidad al impacto con o sin entalla, por lo que son ampliamente utilizados como ensayos de control de calidad.
BIBLIOGRAFIA
Mecánica de materiales: materiales: 3 edición, Prentice-Hall Prentice-Hall Hispanoamer Hispanoamericana icana SA. México D.F., D.F., 856 páginas Resistencia Resistencia de materiales materiales aplicada, aplicada, Tercera Edición. Edición. Prectice-Hall Prectice-Hall Hispanoamerica Hispanoamericana na SA. Mexico D.F., 640 páginas. Ensayo de tracción en metales , Julio Mendoza - jamade jamadelta@gmai
[email protected], l.com, Univesidad Univesidad Tecnológica de Bolivar, Cartagena, D.T. Y C. http://www.eis.uva.es/~macromol/curso07-08/extrusion/ensayos_y_normativa.htm
