Fundamentos de Propiedades Mecánicas y Ensayos de Materiales: Dureza y Resiliencia

Propiedades Mecánicas Fundamentales de los Materiales

La respuesta de un material a las fuerzas externas es crucial en ingeniería. A continuación, se describen las zonas clave de comportamiento:

• Zona Elástica: Al cesar las tensiones aplicadas, el material recupera su forma original.
• Zona Plástica: Se ha rebasado el límite elástico y el material ya no recupera su forma inicial, por lo que ha sufrido deformaciones permanentes.
• Zona de Proporcionalidad: Es una recta, lo que indica una proporción directa entre las tensiones y los alargamientos.
• Zona No Proporcional: El material se comporta de forma elástica, pero las deformaciones y tensiones no están relacionadas linealmente.
• Límite de Rotura: En esta zona, a pequeñas variaciones de tensión se producen grandes alargamientos. A partir del límite de rotura, se considera que el material está roto, aunque no se haya fracturado visualmente.
• Zona de Rotura: El material se sigue alargando hasta que se produce la rotura física total.

Ley de Hooke (Tracción)

La Ley de Hooke establece que los alargamientos unitarios son proporcionales a las tensiones que los producen, siendo la constante de proporcionalidad el módulo elástico. La ecuación fundamental de la tracción solo es aplicable en la zona de proporcionalidad, ya que una vez rebasado dicho límite, el comportamiento del material deja de ser lineal.

Métodos de Ensayo de Dureza

La dureza es una propiedad mecánica fundamental que mide la resistencia de un material a la deformación plástica localizada, como la indentación o el rayado. Existen diversos métodos estandarizados para su determinación.

Ensayo de Dureza Brinell

El ensayo Brinell consiste en comprimir una bola de acero templado con un diámetro determinado contra el material a ensayar, por medio de una carga aplicada durante un tiempo específico.

Cálculo y Aplicabilidad de la Dureza Brinell (HB)

Generalmente, la dureza Brinell (HB) no se calcula aplicando directamente la fórmula, sino que se determina utilizando tablas. Sabiendo el diámetro de la huella, se encuentra directamente el valor de la dureza. Este ensayo no tiene fiabilidad en materiales blandos de espesor inferior a 6 mm, ya que con una bola de 10 mm el material se deforma excesivamente y arroja datos erróneos. Los tiempos de aplicación de cargas oscilan entre 30 segundos para aceros y 3 minutos para materiales blandos.

Ensayo de Dureza Vickers

Para este ensayo se utiliza un penetrador que es una pirámide rectangular de base cuadrada, cuyas caras forman un ángulo de 136º. Se suele usar para fuerzas superiores a 500 HB. Presenta ventajas frente al Brinell, ya que se puede emplear para materiales duros y blandos, y los espesores pueden ser muy pequeños. Fórmula:

Ensayo de Dureza Rockwell

Este método se basa en la resistencia que oponen los materiales al ser penetrados, al igual que el ensayo Brinell, pero aquí se determina la dureza en función de la profundidad de la huella. Es un ensayo rápido y fácil de realizar, pero menos preciso que los anteriores. Es válido para metales duros y blandos. El penetrador es una bola para materiales blandos o un cono de diamante de 120º para materiales duros. Las durezas no se expresan directamente en unidades de penetración, sino por el valor de la diferencia con respecto a dos números:

• *HRB = 130 - e.500*
• *HRC = 100 - e.500*

Ensayo de Resiliencia Charpy

El ensayo de Charpy es un ensayo dinámico por choque que determina la energía absorbida por una probeta de determinadas dimensiones al romperse de un solo golpe. Este ensayo es importante para materiales destinados a la fabricación de piezas y partes de máquinas, ya que han de estar sometidos a esfuerzos dinámicos.

Características de las Probetas Charpy

Las probetas están normalizadas y suelen tener 55 mm de longitud y una sección cuadrada de 10 mm de lado. En el punto medio están entalladas. La entalla puede ser de dos tipos: en forma de V o de U.

El Péndulo Charpy

El péndulo Charpy es el equipo más usado para el ensayo de resiliencia. Consta de una base rígida con dos soportes verticales unidos en la parte superior por un eje horizontal; este eje lleva un brazo vertical giratorio donde, en el extremo, se encuentra el martillo en forma de disco, el cual golpea la probeta y produce la rotura.