Métodos de Evaluación de Materiales: Ensayos de Tracción, Dureza, Impacto y Fatiga
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Ensayo de Tracción
El ensayo de tracción consiste en someter una pieza de forma cilíndrica, conocida como probeta, a una fuerza de tracción axial.
Conceptos Fundamentales del Ensayo de Tracción
- Tensión (σ): Es la fuerza aplicada a la probeta por unidad de sección transversal.
σ = F / S
Donde F es la fuerza aplicada y S es la sección transversal inicial. - Deformación o Alargamiento Unitario (ε): Es el cociente entre el alargamiento (ΔL) y la longitud inicial (L) de la probeta.
ε = ΔL / L
Zonas de Comportamiento del Material
- Zona Elástica: En esta región, la deformación no es permanente; el material recupera su forma original al cesar la carga.
- Zona Plástica: Aquí, los alargamientos son permanentes, lo que significa que el material sufre una deformación irreversible.
- Zona Proporcional: Es una parte de la zona elástica donde existe una relación de proporcionalidad directa entre la tensión y la deformación, descrita por la Ley de Hooke.
σ = E · ε
- Zona No Proporcional: En esta zona, no existe una relación de proporcionalidad lineal entre la tensión y la deformación.
Características de las Probetas y el Módulo de Young
Se utilizan probetas con sección transversal circular o rectangular, las cuales suelen tener una sección que aumenta en los extremos (cabezas) para facilitar su sujeción.
El Módulo de Young (E) es la relación entre la tensión y la deformación en la zona de comportamiento proporcional. Es una propiedad intrínseca del material y no varía con la forma de la pieza.
Puntos Clave en el Diagrama Tensión-Deformación
Durante el ensayo de tracción, se identifican varios puntos críticos:
- Límite de Proporcionalidad
- Límite de Elasticidad
- Límite de Deformación Permanente
- Límite de Pérdida de Proporcionalidad
- Resistencia a la Tracción (Máxima): La tensión máxima que el material puede soportar antes de la fractura.
- Resistencia a la Rotura: La tensión en el momento de la fractura.
Tensión Máxima de Trabajo y Factores de Seguridad
En la realidad, no se pueden valorar con exactitud las fuerzas a las que va a estar sometida una pieza. Para compensar esta incertidumbre y garantizar la seguridad, se aplican factores de seguridad. Esto se logra mayorando las fuerzas a las que puede estar sometida la pieza o minorando la resistencia del material (multiplicando o dividiendo, respectivamente).
Ensayos de Dureza
Los ensayos de dureza miden la resistencia de un material a la deformación plástica localizada, como la indentación o el rayado.
Escala de Mohs
La Escala de Mohs es un método cualitativo que consta de 10 minerales de referencia, ordenados por su capacidad de rayado. Cada material es rayado por los de número superior. Es un método impreciso y no se utiliza para medir la dureza de metales.
Dureza Martens
La Dureza Martens utiliza un cono de diamante que raya la superficie del material. Los materiales más duros dejan una menor huella, lo que indica una mayor dureza.
Ensayo Brinell
El Ensayo Brinell determina la dureza midiendo la huella dejada por una bola de acero o carburo de tungsteno bajo una carga específica. La dureza Brinell (HB) se calcula dividiendo la fuerza aplicada entre la superficie de la huella.
HB = F / S
Donde F es la fuerza en kilopondios (kp) y S es la superficie de la huella en mm².
La superficie de la huella (S) se calcula como:
S = π · D · f
Donde D es el diámetro de la bola y f es la profundidad de la huella.
La fórmula completa para la dureza Brinell es:
HB = 2F / [π · D · (D - √(D² - d²))]
Donde D es el diámetro de la bola y d es el diámetro de la huella.
La relación entre la fuerza y el diámetro de la bola viene dada por F = K · D², donde K es una constante para el material.
Un ejemplo de notación es: 250 HB 10/500/30, que significa una dureza Brinell de 250 kp/mm², obtenida con una bola de 10 mm de diámetro, una carga de 500 kp aplicada durante 30 segundos.
Ensayo Vickers
El Ensayo Vickers utiliza como penetrador un diamante en forma de pirámide de base cuadrada con un ángulo entre caras opuestas de 136º. La dureza Vickers (HV) se calcula como:
HV = F / S
O, más específicamente:
HV = 1.8544 · F / d²
Donde F es la fuerza aplicada y d es la longitud promedio de las dos diagonales de la huella. Si la carga no se aplica verticalmente, la forma de la huella no será perfectamente cuadrada y se deberán calcular las dos diagonales para obtener un valor promedio.
Un ejemplo de notación es: 315 HV 30, que indica una dureza Vickers de 315 kp/mm² con una carga de 30 kp.
Ensayo de Flexión por Choque: Resiliencia (Ensayo Charpy)
El Ensayo de Resiliencia, comúnmente conocido como Ensayo Charpy, evalúa la tenacidad de un material, es decir, su capacidad para absorber energía antes de fracturarse.
Se utiliza una probeta de sección cuadrada (10x10 mm) en cuya parte central se realiza una entalla de 2 mm de profundidad, con forma de U o V. El ensayo consiste en golpear la probeta por el lado opuesto a la entalla con un péndulo.
La Resiliencia (KCV) se calcula como:
KCV = W / S
O, en términos de energía potencial:
KCV = ΔEp / S
Donde W o ΔEp es la energía absorbida por la probeta (en Joules, J) y S es la superficie de la sección entallada (en m²), que típicamente es de 80 mm² (10 mm de ancho x 8 mm de altura efectiva).
La unidad de resiliencia es J/m². A mayor velocidad de impacto, mayor fragilidad puede manifestar el material. Existe un intervalo de temperaturas en el que la resiliencia del material varía significativamente. Un material tenaz absorbe una deformación plástica considerable antes de romperse.
Ensayo de Fatiga
El Ensayo de Fatiga se realiza para comprender el comportamiento de piezas sometidas a cargas cíclicas, cuya intensidad puede ser menor al valor crítico de rotura estática. Este tipo de carga puede provocar la falla del material después de un número elevado de ciclos, incluso si la tensión máxima aplicada es inferior a la resistencia a la tracción del material.
El ensayo más habitual es aquel en el que se somete una probeta a un esfuerzo de flexión rotativa.
El Diagrama de Wöhler (también conocido como curva S-N) es fundamental en el estudio de la fatiga. Este diagrama muestra que a mayor amplitud de la carga cíclica, menor es el número de ciclos que el material puede soportar antes de la rotura.