CÁTEDRAS: MECÁNICA DE LOS MATERIALES I/ RESISTENCIA DE MATERIALES I

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

NUCLEO UNIVERSITARIO ALBERTO ADRIANI

ÁREA: DISEÑO

CÁTEDRAS: MECÁNICA DE LOS MATERIALES I/ RESISTENCIA DE MATERIALES I

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES.

ENSAYOS EXPERIMENTALES

MSc. Pedro A. Salas V.

Mayo 2016

INTRODUCCIÓN

Las propiedades de materiales son las características propias de un material, que permiten su comportamiento y definición de uso (Benavides, 1994). Estas propiedades pueden ser físicas, químicas y mecánicas:

Las propiedades físicas son relativas a la posición de las moléculas que componen el material: forma, dimensiones, color, textura, estructura, fractura, homogeneidad, densidad, porosidad, permeabilidad, capilaridad, capacidad de absorción, dureza.

Las propiedades químicas son relativas a la estructura molecular: resistencia a la acción de ácidos, sales y cloruros, resistencia al calor, heladicidad y agentes atmosféricos.

Las propiedades mecánicas son referidas a la capacidad de trabajo del material o resistencia para soportar estados de carga: resistencia a la tracción, resistencia a la compresión, resistencia a la flexión, resistencia a la torsión y resistencia al corte.

Sin embargo, Gere afirma que en el caso del diseño de máquinas y estructuras se requiere que fundamentalmente comprendamos el comportamiento mecánico de los materiales que se utilicen, con la finalidad de garantizar su correcto funcionamiento. Para determinar cómo se comportan los materiales cuando se someten a cargas, se efectúan experimentos en el laboratorio. Estos experimentos normalmente consisten en colocar probetas (o especímenes o muestras) pequeñas del material en máquinas de prueba, a las cuales se les aplican las cargas y finalmente se les miden entonces las deformaciones resultantes.

Los resultados experimentales son unos gráficos que permiten determinar las propiedades mecánicas de los materiales según las condiciones de cargas a la cual se someta. Entre estos gráficos está el diagrama esfuerzo normal  versus deformación unitaria normal  , que puede ser obtenido mediante ensayos de tracción o compresión. [pic 1][pic 2]

LA ASTM

Una de las principales organizaciones normativas mundiales encargadas de estandarizar las dimensiones de los especímenes de prueba y los métodos de aplicación de las cargas es la ASTM (American Society for Testing and Materials). La ASTM es una sociedad técnica que publica especificaciones y normas para materiales y pruebas.

ENSAYOS EXPERIMENTALES

Los ensayos de materiales están presentes en el proyecto, en el control de esfuerzos en máquinas y estructuras, en la detección de fallas, en el estudio de las estructuras cristalográficas de los metales y en la determinación de las causas que provocan la rotura de los materiales en servicio. Entre estos ensayos pueden encontrarse comúnmente: ensayos de tracción (ensayo de tensión), ensayos de compresión, ensayos de torsión, ensayo de flexión.

El ensayo de tracción.

Este ensayo permite conocer las características de un material cuando se somete a cargas de tracción. Es la prueba experimental que mejor determina las propiedades mecánicas de los metales. Su objetivo es determinar la resistencia a la rotura y las principales propiedades mecánicas del material que es posible apreciar en el diagrama esfuerzo-deformación.

El ensayo de tracción consiste en someter una probeta (ver figura 1) normalizada a esfuerzos progresivos y crecientes de tracción en la dirección de su eje longitudinal, hasta que llegue a la deformación y rotura correspondiente. Generalmente, estas probetas normalizadas presentan las siguientes características:

• Barras generalmente de sección regular y constante, casi siempre circulares.
• Sus extremidades son  de mayor sección, para facilitar la fijación de la probeta a la máquina de tracción.
• En las probetas se hacen dos marcas entre las cuales se mide la longitud L (puntos calibrados).

            [pic 3]

                Figura 1. Probeta típica de sección circular usada en el ensayo de tracción.

Una máquina de pruebas de tensión  se muestra en la figura 2. En ella, se instala el espécimen de prueba entre los dos sujetadores grandes de la máquina y a continuación se carga en tensión. Las deformaciones se registran por medio de dispositivos de medición (extensómetros) y con sistemas de control automático y de procesamiento de datos, los cuales tabulan y grafican los resultados (Gere, 2006).

El ensayo de compresión.

En ingeniería aplicada a la construcción es muy típico trabajar con materiales que se comportan muy bien a compresión (hormigón, rocas, bloques, etc.) pero que tienen escasa resistencia a la tracción. En este caso se realizarán ensayos a compresión para caracterizar el comportamiento de estos materiales, para lo cual se utilizarán probetas cilíndricas de mayor diámetro (Romeo, s/f).

El ensayo de compresión consiste en someter la probeta a esfuerzos constantes y crecientes hasta llegar a la rotura (en materiales frágiles) o al aplastamiento (en materiales dúctiles). Este ensayo permite determinar la resistencia de un material o su deformación ante una carga de compresión. Una máquina de ensayos de compresión se muestra en la figura 3.

Los ensayos a compresión en materiales se acostumbran a realizar en pequeños especímenes en forma de cubo o de cilindro circular. Entre las características relevantes de una prueba a compresión están:

• Se suele usar en materiales frágiles.
• La resistencia en compresión de todos los materiales siempre es mayor o igual que en tracción.
• Para un acero dado, la resistencia a la fluencia es la misma tanto a tensión como compresión. No ocurre estricción.
• Para la mayoría de los materiales dúctiles, la resistencia última a compresión es mucho mayor que la resistencia última a tensión.
• El concreto es un material frágil con diferentes propiedades a tensión y a compresión.

El ensayo de torsión.

Los ensayos de torsión se utilizan para probar la resistencia de ejes y otras piezas que deben trabajar a torsión, obteniéndose información relevante en cuanto a:

• La determinación de las propiedades mecánicas de los materiales sometidos a torsión.
• La diferenciación de la zona de elasticidad y de la zona de plasticidad de los metales sometidos a dicho esfuerzo.
• La construcción e interpretación del gráfico esfuerzo cortante versus deformación angular unitaria para cargas torsionales.
• La medición de los esfuerzos de fluencia o resistencia de fluencia de los materiales.
• Las posibles diferencias que presentan los diversos materiales en cuanto a ductilidad y fragilidad (refiriéndose a su tolerancia a la deformación).
• El análisis del comportamiento de las secciones transversales en la prueba.
• La determinación del tipo de ruptura que se presenta en dicho ensayo.

El procedimiento consiste en colocar una probeta previamente preparada (ver figura 4) en una máquina de torsión (ver figura 5). Se comienza a girar gradualmente la perilla que va incrementando el torque hasta lograrse la fractura de la probeta. Para cada incremento del torque se toman los datos correspondientes.

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