INDICE
I. INTRODUCCIÓN
II. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
III. PROPIEDADES FÍSICAS
a) PROPIEDADES ELÉCTRICAS
b) PROPIEDADES MAGNÉTICAS
c) PROPIEDADES ÓPTICAS
d) PROPIEDADES TÉRMICAS
IV. PROPIEDADES QUÍMICAS
V. PROPIEDADES MECÁNICAS
a) DUREZA
b) ELASTICIDAD
c) PLASTICIDAD
d) RESISTENCIA A LA ROTURA
e) TENACIDAD
f) FRAGILIDAD
g) RESILIENCIA
VI. ENSAYO Y MEDIDAS DE PROPIEDADES
Ensayos químicos, físicos, metalográficos y mecánicos
1. ENSAYO DE DUREZA
2. ENSAYO DE TRACCIÓN
3. ENSAYOS TECNOLÓGICOS : de plegado, de embutición, de forja, de desgaste y de chispa
4. OTROS ENSAYOS: de fatiga, de termofluencia, de compresión, de cizalladura y de flexión.
I. INTRODUCCIÓN
Desde tiempos antiguos la capacidad de utilizar ciertos materiales determinaba el progreso técnico, como se deduce del estudio de las Edades de la piedra, del bronce y del hierro.
Es lógico suponer que la madera, fácilmente trabajable, fuese de hecho el primer material que el hombre aprendió a aprovechar; más tarde aparecen objetos de piedra y posteriormente de hueso, y al final de la Edad de piedra, el barro cocido.
De los metales, fue el cobre el que primero se empleó de un modo general, siendo reemplazado más tarde por su aleación llamada bronce.
Así, podríamos seguir enumerando los distintos materiales que ha ido utilizando el hombre a lo largo de la historia, hasta llegar al momento actual, en el que el número distinto de materiales que se utilizan es incontable: vidrio, cerámica, hierro, acero, plásticos, etc.
De este modo, resulta de gran importancia conocer las propiedades de los distintos materiales para ver cuales se ajustan mejor a las exigencias requeridas en cada caso. Para conocer las propiedades de los materiales resultan de gran utilidad las distintas técnicas de medida y ensayo de propiedades. Conocer las propiedades también es necesario para evitar sobredimensionamientos costosos, reduciendo los coeficientes de seguridad con que se afecta el estado de resistencia última de los materiales para que trabajen en condiciones que no entrañen peligro.
A lo largo de este tema se desarrollaran las principales propiedades de los materiales, así como los ensayos más utilizados para la medida de sus propiedades.
II. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
Todos los materiales, en general, tienen todas las propiedades. En la práctica, sin embargo, se dice que un material posee cierta propiedad cuando la calidad de la propiedad en él es superior a un límite, arbitrario en general y variable según la utilización que se quiera hacer de esa propiedad.
Así, las propiedades de los materiales constituyen un conjunto de características, diferentes para cada cuerpo, que ponen de manifiesto cualidades intrínsecas de los mismos o su forma de responder a determinadas acciones exteriores.
Existe una estrecha relación entre la estructura interna del material, su procesamiento y sus propiedades finales. Al cambiar uno de los tres aspectos de esta relación, cualquiera de los otros también se alterará por lo que debe determinarse cómo se interrelacionan los tres para obtener por último el producto requerido.
Las principales propiedades de los materiales son de tres tipos:
– Físicas
– Químicas
– Mecánicas
III. PROPIEDADES FÍSICAS
El comportamiento físico de los materiales se encuentra descrito por una gran variedad de propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas, y térmicas. La mayoría de estas propiedades están determinadas por la estructura atómica, el ordenamiento atómico y la estructura cristalina del material.
Las propiedades físicas pueden modificarse en gran parte cambiando el ordenamiento de los átomos, así como introduciendo y controlando las imperfecciones en la estructura atómica.
a) PROPIEDADES ELÉCTRICAS
En muchas aplicaciones, el comportamiento eléctrico del material es más crítico que el comportamiento mecánico.
La conductividad eléctrica es una propiedad casi exclusiva de los metales y representa la facilidad con que un cuerpo deja pasar la corriente eléctrica a través de su masa.
La corriente eléctrica se crea por el movimiento de los electrones en el seno de un cuerpo entre dos puntos con diferente potencial, los metales tienen los electrones con una mayor movilidad (poseen electrones libres) y ésta es la causa de que sean buenos conductores.
Según esta propiedad los materiales se clasifican en conductores y aislantes o dieléctricos (que se caracterizan porque sus electrones están muy ligados a sus átomos respectivos).
Los materiales intermedios, es decir, los que no pueden catalogarse como conductores ni tampoco como aislantes, puesto que se comportan según las circunstancias, reciben el nombre de semiconductores; en ellos los electrones están ligados a los átomos, siendo necesario vencer estas ligaduras para que puedan desplazarse con alguna libertad.
En las zonas de unión entre un semiconductor y un metal, o entre dos semiconductores, se producen fenómenos de gran interés, ya que los electrones pasan de un material a otro hasta llegar a un estado de equilibrio, que da lugar a una diferencia de potencial entre ambos, lo cual impide el intercambio de electrones. Los transistores se basan en estas propiedades.
–Polarización de un dieléctrico.– En un dieléctrico coinciden siempre los centros de gravedad de la s cargas positivas y negativas que forman sus átomos o moléculas. Cuando lo sometemos a la acción de un campo eléctrico, el núcleo tiende a desplazarse en el mismo sentido del campo y los electrones en sentido opuesto, de modo que ya no coinciden los centros de gravedad de las cargas de distinto signo. Así queda el átomo o molécula deformado y se convierte en un dipolo (dos cargas iguales y de distinto signo separadas por una distancia muy pequeña). El dieléctrico adquiere así, un estado de polarización. Estos materiales se utilizan en la construcción de condensadores.
–Ferroelectricidad.- Los materiales dieléctricos denominados ferroeléctricos presentan polarización espontánea, o sea, polarización en ausencia de un campo eléctrico. Tienen dipolos eléctricos permanentes. Los ferroeléctricos tienen constantes dieléctricas muy elevadas a relativamente bajas frecuencias del campo aplicado; en consecuencia, los condensadores fabricados con estos materiales pueden ser significativamente más pequeños que los condensadores hechos con otros dieléctricos.
–Piezoelectricidad.- Propiedad inusual que presentan algunos materiales cerámicos, en los que la polarización se produce cuando actúa una presión sobre dos caras opuestas. Los materiales piezoeléctricos se utilizan en los transductores: dispositivos que convierten energía eléctrica en deformaciones mecánicas o viceversa (agujas de tocadiscos, micrófonos, generadores de ultrasonidos, etc.).
–Superconductividad.- En muchos metales, al disminuir la temperatura, disminuye la resistencia eléctrica hasta alcanzar un valor residual. Si sigue disminuyendo la temperatura, por regla general no se observa una variación apreciable de su resistencia. No obstante, algunos metales presentan un comportamiento anómalo, llamado superconductividad, pues al seguir reduciendo su temperatura la resistencia disminuye repentinamente hasta cero.
b) PROPIEDADES MAGNÉTICAS
Las propiedades magnéticas de un material representan la interacción de la estructura y la macroestructura atómicas con el campo magnéticos; esto permite producir imanes permanentes y electroimanes.
La magnetización ocurre cuando los dipolos magnéticos inducidos o permanentes se encuentran orientados por una interacción entre el material magnetizable y un campo magnético.
Cuando se aplica un campo magnético a un conjunto de átomos se pueden observar varios tipos de comportamiento:
–Diamagnetismo.- Es una forma muy débil de magnetismo que no es permanente y persiste sólo mientras el campo externo está presente. Es inducido por un cambio en el movimiento orbital de los electrones debido al campo magnético aplicado. La magnitud del momento magnético inducido es extremadamente pequeña y en una dirección opuesta a la del campo aplicado. El diamagnetismo se encuentra en todos los materiales; sin embargo, debido a que es tan débil, sólo puede ser observado cuando otros tipos de magnetismo están totalmente ausentes. Esta forma de magnetismo no tiene importancia práctica.
–Paramagnetismo.- En algunos materiales sólidos, cada átomo posee un momento magnético dipolar permanente en virtud de la cancelación incompleta del espín de los electrones y/o de los momentos magnéticos orbitales. En ausencia de un campo magnético aplicado, las orientaciones de estos momentos magnéticos atómicos son al azar, de tal manera que una pieza de material no posee una magnetización neta permanente. Estos dipolos atómicos son libre para girar y se produce paramagnetismo cuando, mediante rotación, se alinean de forma preferente con un campo externo, aumentando ese campo magnético externo
El paramagnetismo en sustancias no metálicas suele caracterizarse por una dependencia de la temperatura: la intensidad del momento magnético inducido varía inversamente con la temperatura. Esto se debe a que al ir aumentando la temperatura, cada vez resulta más difícil alinear los momentos magnéticos de los átomos individuales en la dirección del campo magnético.
Este efecto llamado paramagnetismo, es importante solamente a altas temperaturas.
Tanto los materiales diamagnéticos como los para magnéticos son considerados materiales no magnéticos debido a que sólo presentan magnetización en presencia de un campo externo.
–Ferromagnetismo.- Ciertos materiales metálicos poseen un momento magnético permanente en ausencia del campo externo aplicado y manifiestan magnetizaciones permanentes muy grandes. Éstas son las características del ferromagnetismo y lo presentan los metales de transición como el hierro.
Los momentos magnéticos permanentes en los materiales ferromagnéticos resultan de los momentos magnéticos atómicos debidos al espín de los electrones; también hay una contribución del momento magnético orbital, pero es pequeña comparada con el momento de espín.
La máxima magnetización posible, magnetización de saturación, de un material ferromagnético representa la magnetización que resulta cuando todos os dipolos magnéticos en una pieza sólida están mutuamente alineados con el campo externo.
–Antiferromagnetismo.- Este fenómeno de acoplamiento entre los momentos magnéticos de átomos o iones contiguos ocurre en materiales diferentes de los ferromagnéticos. En este grupo el acoplamiento produce un alineamiento antiparalelo; el alineamiento de los momentos de los espines de átomos o iones vecinos en direcciones exactamente opuesta se denomina antiferromagnetismo. Obviamente los momentos magnéticos opuestos se cancelan entre sí y en consecuencia el sólido no posee momento magnético macroscópico, la magnetización es nula.
–Ferrimagnetismo.- Algunos materiales cerámicos también poseen un tipo de magnetización permanente denominada ferrimagnetismo. Las sustancias ‘ferrimagnéticas’ tienen al menos dos clases distintas de momento magnético atómico, que se orientan de forma antiparalela. Como ambos momentos tienen magnitudes diferentes, persiste un momento magnético neto, al contrario que en un material antiferromagnético, donde todos los momentos magnéticos se anulan entre sí.
La temperatura puede también influir en las características magnéticas de los materiales. Al aumentar la temperatura de un sólido se produce un aumento en la magnitud de las vibraciones térmicas de los átomos. Para los materiales ferromagnéticos, antiferromagnéticos y ferrimagnéticos, los movimientos térmicos atómicos contrarrestan las fuerzas de acoplamiento entre los dipolo atómicos adyacentes, produciendo cierta desalineamiento, independientemente de si hay campo externo aplicado.
c) PROPIEDADES ÓPTICAS
Propiedad óptica es la respuesta de un material expuesto a una radiación electromagnética y, en particular, a la luz visible.
La energía radiante, o radiación en forma de ondas o partículas llamadas fotones, puede ser emitida desde un material.
Los fotones, tanto característicos como continuos, originan numerosos fenómenos ópticos cuando interactúan con la estructura electrónica o cristalina de un material. Si los fotones entrantes interactúan con el material , ceden su energía y son absorbidos.
–Propiedades ópticas de los metales.- Los metales son opacos porque la radiación incidente que tiene frecuencias dentro del intervalo correspondiente a la luz visible excita los electrones a estados energéticos superiores no ocupados; consecuentemente, la radiación incidente es absorbida.
Los metales son opacos a toda radiación electromagnética de baja frecuencia, desde las ondas de radiofrecuencia hasta aproximadamente la mitad de las ondas ultravioletas, pasando por el infrarrojo y el visible. Los metales son transparentes a las radiaciones de alta frecuencia (rayos X y g).
La mayor parte de la radiación absorbida se vuelve a emitir desde la superficie en forma de luz visible de la misma longitud de onda y aparece como luz reflejada. Como los metales son opacos y tienen una alta reflectancia, el color percibido está determinado por la distribución de longitudes de onda de la radiación reflejada y no absorbida. (una apariencia blanco plateada indica que el metal es muy reflector en todo el espectro de la luz visible). En otras palabras, la frecuencia y el número de fotones emitidos en el rayo reflejado son aproximadamente iguales a los del rayo incidente.
–Propiedades ópticas de materiales no metálicos.- Los materiales no metálicos pueden ser transparentes a la luz visible, según sus estructuras de bandas de energía de los electrones. Por este motivo conviene considerar los fenómenos de refracción y de transmisión, además de la reflexión y de la absorción.
Refracción.- La luz transmitida en el interior de un material transparente experimenta disminución de la velocidad y, en consecuencia, la dirección de propagación cambia, o se desvía, en la intercara; este fenómeno se denomina refracción.
Reflexión.- Cuando la radiación pasa de un medio a otro que tiene un índice de refracción diferente, parte de la luz se difunde en la intercara de los dos medios, aunque éstos sean transparentes. La reflectancia es la fracción de luz incidente que se refleja en la intercara.
Absorción.- Los materiales no metálicos pueden comportarse como opacos o transparentes a la luz; y, en el caso de que sean transparentes, a menudo aparecen coloreados. En principio, la radiación lumínica se absorbe en este grupo de materiales por tres mecanismos que también influyen en sus características de transmisión. Estos mecanismos son: la polarización electrónica y otros dos que implican transiciones electrónicas que dependen de la estructura de bandas de energía electrónica del material.
Transmisión.- Los fenómenos de absorción, reflexión y transmisión también se pueden aplicar al paso de la luz a través de un sólido transparente. La fracción de luz incidente que se transmite a través de un material transparente depende de las pérdidas que ocurren por absorción y por reflexión.
Color.- Los materiales transparentes aparecen de color porque absorben selectivamente determinados intervalos de longitud de onda de la luz; el color resulta de la combinación de las longitudes de onda transmitidas. Si la absorción es uniforme para todas las longitudes de onda de la luz visible, el material aparece incoloro.
En general, la absorción selectiva ocurre por excitación de electrones. Parte de la radiación absorbida es emitida de nuevo cuando los electrones excitados vuelven a caer a sus estados energéticos originales más bajos. No es necesario que la frecuencia de la radiación reemitida coincida con la de la frecuencia de la radiación absorbida; la frecuencia y la energía asociada pueden ser inferiores en los casos de transiciones múltiples radiativas o no radiativas. En consecuencia, el color depende de la distribución de frecuencias de los rayos de luz transmitida y reemitida.
–Luminiscencia.- Es el fenómeno que experimentan algunos materiales capaces de absorber energía y de volver a emitirla en forma de luz visible. Los fotones de luz emitida se generan por transiciones electrónicas en el sólido. La luminiscencia se clasifica según el tiempo que dura la emisión de luz después de la absorción. Si la emisión dura menos de un segundo, el fenómeno se denomina fluorescencia y si dura más se denomina fosforescencia.
La luminiscencia tienen muchas aplicaciones: lamparas de fluorescencia, detectar rayos X y g, las imágenes de la pantalla de televisión se deben a fenómenos luminiscentes, etc.
–Fotoconductividad.- La conductividad de los materiales semiconductores depende del número de electrones de la banda de conducción y también del número de huecos de la banda de valencia. Como consecuencia de transiciones electrónicas inducidas por fotones en las cuales se absorbe luz, se pueden generar transportadores de carga adicionales; este incremento de conductividad se denomina fotoconductividad. De este modo, cuando se ilumina una muestra de material fotoconductivo, la conductividad aumenta. Este fenómeno se utiliza en los fotómetros fotográficos.
d) PROPIEDADES TÉRMICAS
Por propiedad térmica se entiende la respuesta de un material al ser calentado. A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura y sus dimensiones aumentan. La energía puede transportarse a las regiones más frías de la muestra si existe un gradiente de temperatura y, finalmente, la muestra puede fundirse. La capacidad calorífica, la dilatación térmica y la conductividad térmica son propiedades muy importantes en la utilización práctica de los sólidos.
–Capacidad calorífica (C).- Cuando se calienta un material sólido, éste experimenta un aumento de temperatura, indicando con ello que absorbe energía. La capacidad calorífica es una propiedad que indica la capacidad de un material de absorber calor de su entorno; representa la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura en una unidad.
Existen dos métodos para medir esta propiedad, según cuáles sean las condiciones del medio en que se realiza la trasferencia de calor. Uno es medir la capacidad calorífica mientras se mantiene la muestra a volumen constante, Cv; el otro es bajo presión constante, Cp. La magnitud de Cp es siempre mayor que Cv; sin embargo esta diferencia es muy pequeña para la mayoría de los materiales sólidos a temperatura ambiente e inferiores.
–Dilatación térmica.- La mayoría de los materiales sólidos se expanden cuando son calentados y se contraen cuando son enfriados. El cambio de longitud con la temperatura para un material sólido puede expresarse de la manera siguiente:
@l
— = al@T
l0
siendo al el coeficiente lineal de dilatación térmica, que es una propiedad que indica el grado de dilatación de un material cuando es calentado.
El calentamiento o el enfriamiento afecta a todas la dimensiones del cuerpo lo cual produce un cambio de volumen. Los cambios de volumen con la temperatura pueden calcularse a partir de:
@V
— = av@T
V0
siendo av el coeficiente de volumen de la dilatación térmica. En muchos materiales el valor de este coeficiente es anisotrópico; es decir, depende de la dirección cristalográfica a lo largo de la cual es medido.
–Conductividad térmica (K).- La conducción térmica es el fenómeno por el cual el calor es transportado desde las regiones de alta temperatura a las regiones de baja temperatura de una sustancia. La propiedad que caracteriza la capacidad de un material para transferir calor es la conductividad térmica. Ésta relaciona el calor Q transmitido a través de una determinada cuando existe un gradiente de temperatura.
El calor en los materiales sólidos es transportado por vibraciones de la red (fotones) y por electrones libres.
Los metales presentan, en general, buena conductividad térmica, a diferencia de los demás materiales que suelen ser poco conductores del calor.
IV. PROPIEDADES QUÍMICAS
Tanto por el posible contacto entre los materiales que constituyen una estructura como por estar los materiales en distintos medios, pueden producirse reacciones químicas, que es preciso tener en cuenta en cualquier proyecto.
Las propiedades químicas comprenden, entre otras, las fuerzas de enlace (debido a la composición) y su comportamiento ante medios agresivos (corrosividad).
El deterioro de un material por corrosión es primordialmente un proceso químico que está determinado por la mutua solubilidad de los materiales, o la tendencia de un material para ceder sus electrones en una celda electroquímica. Hasta cierto grado, puede controlarse este deterioro excluyendo el medio ambiente corrosivo y efectuando el uso de recubrimientos. Sin embargo, la estructura del material también desempeña un papel importante en muchas situaciones corrosivas, produciendo estructuras más homogéneas libres de esfuerzos y lugares de mayor energía mediante el control de la composición, el procesado y el tratamiento térmico, lo cual mejora la resistencia a la corrosión.
El deterioro por desgaste se reduce al mejorar el control sobre la estructura y propiedades del material. En particular, la selección de aleaciones y del procesamiento de los materiales que proporcionan una alta dureza, conduce a menores grados de desgaste.
V. PROPIEDADES MECÁNICAS.
Podemos definir las propiedades mecánicas, como la resistencia que oponen los cuerpos, frente a determinadas acciones exteriores de tipo mecánico. Dependen, en primer lugar, de la constitución de los elementos del material, de la estructura cristalina, así como de las características químicas del material y del ambiente en que se encuentra.
Los metales presentan la posibilidad de cambiar sus propiedades entre amplios límites, sometiéndolos a tratamientos adecuados.
Las propiedades mecánicas más importantes son:
– Dureza
– Elasticidad
– Plasticidad: maleabilidad y ductilidad
– Resistencia a la rotura
– Tenacidad
a) DUREZA
Es la propiedad que expresa la capacidad de un material para oponerse a ser deformado en su superficie por la acción de otro. Un cuerpo puede deformar a otro en sus superficie de diversas formas, de aquí que ya distintos conceptos de dureza: dureza al rayado, a la penetración, al corte y dureza elástica.
Desde el punto de vista industrial se utiliza la dureza a la penetración, que es la resistencia que un cuerpo opone a ser penetrado por otro cuya forma y dimensiones están normalizadas.
b) ELASTICIDAD
Se denomina elasticidad a la capacidad que presentan determinados materiales de recobrar su forma original después de haber sido deformados y una vez que cesa la acción exterior que los deformó.
Cuando una fuerza externa actúa sobre un material causa un esfuerzo o tensión en el interior del material que provoca la deformación del mismo. En muchos materiales, entre ellos los metales y los minerales, la deformación es directamente proporcional al esfuerzo. Esta relación se conoce como ley de Hooke. No obstante, si la fuerza externa supera un determinado valor, el material puede quedar deformado permanentemente, y la ley de Hooke ya no es válida. El máximo esfuerzo que un material puede soportar antes de quedar permanentemente deformado se denomina límite de elasticidad.
La relación entre el esfuerzo y la deformación, denominada módulo de elasticidad, así como el límite de elasticidad, están determinados por la estructura molecular del material. La distancia entre las moléculas de un material no sometido a esfuerzo depende de un equilibrio entre las fuerzas moleculares de atracción y repulsión. Cuando se aplica una fuerza externa que crea una tensión en el interior del material, las distancias moleculares cambian y el material se deforma. Si las moléculas están firmemente unidas entre sí, la deformación no será muy grande incluso con un esfuerzo elevado. En cambio, si las moléculas están poco unidas, una tensión relativamente pequeña causará una deformación grande. Por debajo del límite de elasticidad, cuando se deja de aplicar la fuerza, las moléculas vuelven a su posición de equilibrio y el material elástico recupera su forma original. Más allá del límite de elasticidad, la fuerza aplicada separa tanto las moléculas que no pueden volver a su posición de partida, y el material queda permanentemente deformado o se rompe.
c) PLASTICIDAD
Contrariamente a la elasticidad, la plasticidad se define como la capacidad que tienen los materiales de adquirir deformaciones permanentes. Para conseguir una deformación permanente, la fuerza aplicada debe pasar el límite de elasticidad del material. Podríamos decir que, al aumentar la separación de los átomos de su posición inicial, llegan a alcanzar otras posiciones en las que se encuentran instalados de forma estable como en la de origen.
Los materiales plásticos pueden tener una mayor o menor facilidad para adquirir deformaciones según que éstas se produzcan por esfuerzos de tracción o compresión, por eso se utilizan los siguientes términos:
-Ductilidad
Es la capacidad que tienen los materiales de adquirir deformaciones permanentes como consecuencia de esfuerzos de tracción. También se suele decir que es la aptitud que tienen los materiales para ser deformados en hilos.
-Maleabilidad
Es la capacidad que presentan los cuerpos para adquirir deformaciones permanentes mediante esfuerzos de compresión. También se suele definir como la aptitud del material para ser deformado en forma de lámina.
d) RESISTENCIA A LA ROTURA
Se define como la oposición que presenta un material a ser roto por acción de esfuerzos mecánicos exteriores. Es preciso que conozcamos la carga máxima por unidad de superficie que es capaz de soportar sin romperse, que es la resistencia a la rotura (R). Se expresa en las mismas unidades que el límite elástico, es decir en Kg/cm2 o Kg/ mm2.
Hay que señalar que las piezas están sometidas a distintos tipos de esfuerzos exteriores:
– Tracción
– Compresión
– Torsión.- En el trabajo por torsión las secciones giran unas respecto a la otra según un eje normal a ambas.
– Cizalladura.- En el trabajo a cizalladura las secciones paralelas tienden a deslizarse unas respecto a otras en la dirección de los esfuerzos.
Como consecuencia de estos distintos tipos de trabajo existirán diferentes valores para la resistencia a la rotura: de tracción, compresión, torsión y cizalladura.
e) TENACIDAD
Se define la tenacidad como la capacidad que tienen los materiales de absorber energía antes de romperse.
Un material muy tenaz absorberá gran cantidad de energía antes de su rotura.
La energía que absorbe una pieza depende de la fuerza aplicada y de su deformación. Es decir, a igualdad de fuerza aplicada, cuanto mayor sea la deformación de la pieza antes de romperse mayor será el trabajo desarrollado por la fuerza y, por tanto, la energía absorbida por el material.
Teniendo en cuenta el concepto anterior podemos asegurar que, como las deformaciones elásticas suelen ser muy pequeñas en relación con las deformaciones plásticas:
– Si un material es poco plástico, su deformación será pequeña y por tanto absorbe poca energía antes de romperse: es poco tenaz.
– Si un material es muy plástico, la deformación antes de romperse es grande; absorbe mucha energía: es muy tenaz.
Esta propiedad es muy importante en piezas que estén sometidas a esfuerzos violentos (p.e. el parachoques de un coche), que interesa que sean de material de gran tenacidad para que pueda absorber la energía de un golpe; deben soportar gran deformación sin romperse.
La tenacidad depende especialmente de la plasticidad y de la resistencia a la rotura.
f) FRAGILIDAD
Un material es frágil cuando se rompe al rebasar el límite elástico y sin apenas deformarse plásticamente.
La mayoría de los materiales frágiles, al no tener deformaciones plásticas antes de la rotura, absorben poca energía y por tanto son poco tenaces.
Un material frágil puede resistir gran carga si su límite elástico y su resistencia a la rotura son grandes; lo que no podrá es absorber mucha energía. Por eso, si surge un golpe, por ejemplo, y no tiene capacidad para absorber la energía puesta en juego, se rompe. (P. e. cristal, es frágil cuando se rompe sus trozos no quedan deformados.
Los materiales frágiles son poco interesantes para la industria. (Los metales suelen tener, en general, gran tenacidad).
g)RESILIENCIA
La resiliencia no es en sí una propiedad de los materiales; más bien es el resultado de un ensayo al que se someten los materiales para medir la cantidad de energía que son capaces de absorber antes de romperse mediante un golpe. A esta cantidad de energía se denomina resiliencia.
Naturalmente, cuanto más tenaz es un material mayor será su resiliencia.
Es importante conocer el valor de la resiliencia de un material cuando se utilice para fabricar piezas que estén sometidas a choques o puedan estarlo en algunas circunstancias (parachoques de automóvil o ferrocarril, martillos, etc.)
VI. ENSAYO Y MEDIDAS DE PROPIEDADES
Los ensayos de materiales suministran información sobre sus características físicas y químicas, la aptitud que poseen para su deformación en frío o en caliente, templabilidad, soldabilidad, etc., su resistencia o capacidad para soportar solicitaciones mecánicas. Estos ensayos se hacen con probetas normalizadas, con productos semiacabados o incluso con piezas o elementos ya terminados.
Pueden ser destructivos o no. Se basan en principio químicos, físicos, físico-químicos, metalográficos y mecánicos.
1. Ensayos químicos
Son los empleados para conocer la composición química y su resistencia a los agentes químicos.
2. Ensayos físicos
Los que se emplean para determinar las características físicas de densidad, conductibilidad, propiedades magnéticas, etc.
También sirven los ensayos físicos para determinar grietas, rechupes, impurezas, etc.
3. Ensayos metalográficos
Son los realizados, a través del microscopio, para determinar la estructura del material y también conocer los efectos producidos por los tratamientos térmicos.
4. Ensayos mecánicos
Los empleados para conocer las características de elasticidad y resistencia de los metales y el comportamiento en operaciones mecánicas.
Suelen ser de tipo destructivo, estáticos (con cargas progresivamente crecientes) o dinámicos (con cargas instantáneas o de choque).
Debido a la gran cantidad de ensayos diferentes que hay, en este punto del tema nos vamos a centrar en los ensayos destinados a conocer las características mecánicas, que son las más interesantes en la utilización de los materiales en Tecnología.
Para conocer las características mecánicas se emplean principalmente los ensayos de dureza, tracción, resiliencia y los tecnológicos.
1. Ensayos de dureza
Se han normalizado varios métodos para efectuar la medición de la dureza. Entre ellos, los más utilizados son Dureza Brinell y Dureza Rockwell.
1.- Procedimiento Brinell
La dureza Brinell se mide produciendo a la probeta (pieza que se somete a ensayo para la medición), que debe ser plana, una huella con un penetrador normalizado consistente en una bola de acero extraduro de diámetro D, que varía según el tipo de material cuya dureza se quiere medir y el espesor de la probeta. La carga que se aplica depende del material y espesor de la probeta.
Dureza Brinell (HB) = P (carga aplicada)
S(área del casquete esférico de la huella
– Procedimiento Rockwell (HR)
La dureza Rockwell se mide produciendo en el material una huella con un penetrador, que puede ser un cono de diamante de 120º de ángulo y punta redonda o una bola de acero extra duro. Del diámetro de la bola y de la presión que esta o el cono ejercen sobre el material dependerá la penetración. La huella producida en este ensayo es pequeña, sin alterar apenas la superficie, indicando únicamente la dureza superficial de la pieza.
Existen dos diferencia fundamentales con el método Brinell:
– Con el cono de diamante pueden medirse durezas superiores ya que la bola del método Brinell se deforma y para valores superiores a 500 HB el error es muy grande.
– La dureza Rockwell no es función de la superficie S de la huella, sino de la profundidad de la misma que el propio aparato proporciona automáticamente.
Una ventaja del método Rockwell es la rapidez en el cálculo de la dureza y su aplicación a cualquier tipo de material desde los muy blandos a los muy duros.
Una ventaja que presentan los ensayos de dureza frente a otros es que no son destructivos.
La dureza es una propiedad que influye muy notablemente en la selección y trabajo de los materiales de que se fabrica cada pieza, así como su comportamiento posterior. Una pieza blanda se deformará y se desgastará pronto; en cambio, una pieza muy dura será difícil de trabajar y durante su funcionamiento puede sufrir roturas o saltarle pequeñas esquirlas en su superficie, sobre todo si el trabajo al que se le somete le obliga a sufrir cargas bruscas o golpes.
2. Ensayo de tracción
Los ensayos de tracción estudian el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de tracción progresivamente creciente, ejercido por una máquina apropiada, hasta conseguir la rotura. Se efectúa sobre probetas normalizadas, marcadas con trazos de referencia, para poder determinar los alargamientos en función de los esfuerzos. La tensión que soporta la probeta es igual a la carga que actúa por unidad de sección.
Recogiendo en un gráfico los valores simultáneos de las cargas y de los alargamientos, se obtienen curvas que representan el comportamiento de la probeta, cuyo estudio o análisis proporciona, entre otras, las características siguientes:
– Límite de elasticidad (σE)
Es la tensión, más allá de la cual, la probeta no recobra su longitud primitiva.
σE = FE / Ao FE = Fuerza en Kgf
Ao = Sección de la probeta en mm2
– Resistencia a la tracción (σR)
Es la tensión máxima que aguanta la probeta durante el ensayo.
σR = FR / Ao
FR = Fuerza máxima que actúa sobre la probeta en Kgf
– Carga de rotura (σU)
Es la carga con la que se rompe el material.
σU = FU / Ao
FU = Fuerza en el momento de romperse la probeta en Kgf
– Alargamiento (δ). Alargamiento unitario (ε)
Es la longitud en que aumenta la probeta hasta llegar a la rotura. El alargamiento unitario se expresa un tanto por un referido a la longitud inicial.
δ = Lu – Lo ε = δ / Lo
Lo = Longitud inicial de la probeta antes del ensayo en mm.
Lu = Longitud inicial de la probeta estirada en el momento de la rotura expresada en mm.
3. Ensayo de resiliencia
Este ensayo se emplea para saber la tenacidad del material sujeto a esfuerzos bruscos o choques violentos y para comprobar el comportamiento de los materiales con entalladuras que producen concentración de esfuerzos.
Se realiza con probetas normalizadas y una de las máquinas más empleadas es el llamado péndulo de Charpy.
El valor ρ que obtenemos sólo es informativo y, en igualdad de condiciones, comparativo. Es un ensayo muy importante para saber el efecto de los tratamientos térmicos.
4. Ensayos tecnológicos
Tienen por objeto estos ensayos dar a conocer el comportamiento que tendrán los materiales ante ciertas operaciones y tratamientos. He aquí algunos de los más usados:
1. Ensayo de plegado
Sirve para estudiar las características de plasticidad de los materiales. Puede hacerse de distintos modos:
– Se dobla en ángulo la probeta a prueba hasta que aparecen las primeras grietas y se mide el ángulo de plegado hasta ese momento.
– O se pliega la probeta hasta un ángulo determinado y se comprueba si aparecen grietas o no, pudiendo llegar al plegado completo, o dejando las ramas paralelas con cierta separación.
El ensayo se puede realizar a temperatura ambiente y a temperatura elevada. Se someten a este ensayo, principalmente, los aceros y las uniones soldadas. Estas últimas, para conocer el efecto que sobre la capacidad de deformación ejerce el calor de la soldadura.
El ensayo se debe conducir de tal forma que los ejes de las dos ramas de la probeta se mantengan en un plano. La máquina De Ensayos va equipada de dos apoyos cilíndricos, desplazables a voluntad, en los que se apoya la probeta, y de mandriles intercambiables con diámetro adecuado a las condiciones de ensayo. El mandril, al presionar lentamente sobre la probeta, la dobla hasta alcanzar el ángulo de plegado previsto o hasta que aparecen las primeras grietas.
Una variedad de este ensayo es el doblado alternativo, que se emplea para láminas delgadas. Consiste en doblarlas en un ángulo de 90º, de uno y otro lado, contando el número de veces necesario para romperla.
2. Ensayos de embutición
Es uno de los más importantes para las planchas, pues el proceso de embutido, si bien supone parcialmente la existencia de esfuerzos de tracción, hay simultáneamente fluencia del material, como consecuencia de comprimirlo hasta aquel grado. Interesa, pues, medir la capacidad para resistir deformaciones hasta la aparición de la rotura. El grado de embutido se mide por la carga y la flecha alcanzada en el momento en que aparece la primera grieta en el casquete esférico producido por el punzón.
Se hace con punzones de varios diámetros según los espesores de la capa. Las probetas son circulares o rectangulares.
Estos ensayos deben complementarse con la observación a la lupa de la superficie,, después de terminada la media, pues según que el material presente, después de deformado, una estructura de grano grueso o fino, se le juzga inaplicable o idóneo, respectivamente, para estos fines.
3. Ensayos de forjado
Se destinan a conocer de antemano el comportamiento del material frente a un tipo de trabajo de forja. Pueden realizarse tanto en frío como en caliente y son tan diversos como las operaciones de forja. Los clasificaremos, pues, en:
a) Ensayo de ensanchamiento o platinado.- Consiste en someter uno de los extremos de la barra plana a un ensanchamiento bajo la acción de la plana o martillo de forja, hasta que aparezcan grietas en las aristas. Durante la realización de la prueba se tiene que mantener la temperatura elegida para la misma. El espesor de la parte deformada tiene que ser uniforme durante el ensayo.
La calidad del material, en esta operación de forja, se deduce del ensanchamiento y alargamiento alcanzados hasta la aparición de grietas.
b) Ensayo de recalcado.- Consiste en someter a una operación de recalcado, en el sentido de su eje, una probeta cilíndrica de longitud doble de su diámetro, hasta que aparezcan grietas en la superficie lateral. Para apreciar la calidad del material se usa el coeficiente de aplastamiento Stg, definido por Stg = ε*100, donde ε es el acortamiento unitario en el momento de iniciarse la grieta lateral. Se suelen someter a este ensayo, principalmente, los materiales destinados a la fabricación de remaches.
c) Ensayo de mandrilado.- Consiste en perforar con un martillo terminado en punta una tira de chapa calentada al rojo y colocada sobre una sufridera. A continuación, y manteniendo la probeta a la temperatura adecuada, se hace pasar por el orificio un punzón troncocónico, hasta que aparezcan grietas. La calidad del material se aprecia por el coeficiente de mandrilado Fg., dado por la relaciones Fg = (d1/d)100, en que d1 es el diámetro del orificio en el momento de aparecer las grietas y d el diámetro inicial del orificio.
4. Ensayo de desgaste
El objeto de este ensayo es conocer la resistencia al desgaste, por rozamiento, de los materiales que permanecen en contacto concierto movimiento relativo. Según sea este último se obtiene el desgaste por deslizamiento puro, por rodadura pura y por doble deslizamiento.
El método más usual para medir el desgaste consiste en hallar las diferencias de peso de la probeta antes y después de haber estado sometida al ensayo durante un intervalo de tiempo determinado. La pérdida de peso así obtenida se divide por el trabajo de desgaste y se obtiene el desgaste específico o desgaste por unidad de trabajo.
5. Ensayo de chispa
Sirve para clasificar algunos aceros por su composición, examinando las chispas que saltan al poner el material en contacto con una muela de esmeril, que gira a gran velocidad. Utilizando simultáneamente un acero patrón con el problema, se colocan ambos a uno y otro lado de la muela, para observación simultánea.
5. Otros ensayos
1. Ensayos de fatiga
En muchas ocasiones se somete al componente a la acción de esfuerzos variables que se repiten con cierta frecuencia. Este esfuerzo repetido puede ocurrir como resultado de cargas de rotación, flexión, tracción, y aunque las cargas variables, sean inferiores a la de rotura, el material puede fracturarse después de numerosas aplicaciones del esfuerzo. A este fenómeno se conoce con el nombre de fatiga.
Según la forma de actuar los esfuerzos variables en las probetas, los ensayos de fatiga pueden ser:
a) De tracción-compresión con esfuerzo axial.- Este ensayo se realiza sobre probetas de sección rectangular o cilíndrica, sometidas a un esfuerzo axial, alterno de tracción-compresión. Las máquinas utilizadas para realizar este ensayo transforman un movimiento de rotación en alternativo, mediante un mecanismo de biela-manivela.
b) De flexión rotativa.- Se realiza corrientemente sobre probetas cilíndricas, empotradas por uno de los extremos en un mandril, que las hace girar a un cierto número de revoluciones y por el otro extremo actúa un momento flector constante.
c) De torsión.- Se realiza sobre probetas de sección circular, empotradas por un extremo y sometidas, por el otro, a un momento de torsión alterno.
2. Ensayo de Termofluencia
Si se aplica un esfuerzo a un material que está a temperatura elevada, dicho material puede estirarse y finalmente fallar, aún si el esfuerzo aplicado es menor que el de fluencia a tal temperatura. La deformación plástica a temperaturas altas es conocida como termofluencia.
Los ensayos de termofluencia nos permiten determinar la vida esperada de un componente para una combinación particular de esfuerzo y temperatura. Los hay de dos tipos: de larga duración y de corta duración.
3. Ensayo de compresión
Estudia el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de compresión, progresivamente creciente, ejercido con una máquina apropiada, hasta conseguir la rotura o aplastamiento, según la clase de material. Se efectúa sobre probetas cilíndricas en los metales, y cúbicas en los materiales no metálicos. Este ensayo es poco frecuento; por lo general, se someten a él los materiales que prácticamente trabajan sólo a este esfuerzo, tales como fundiciones, metales para cojinetes, hormigón, etc.
4. Ensayo de cizallamiento
Se trata con él de determinar el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo cortante, progresivamente creciente, hasta conseguir la rotura por deslizamiento a lo largo de la sección de cizallamiento. Se someten a este ensayo los materiales destinados a fabricar chavetas, remaches, tornillos, pernos, etc. que trabajan a esfuerzo cortante.
Para este ensayo no existen probetas normalizadas.
5. Ensayo de flexión
Es complementario al ensayo de tracción; se aplica en aquellos casos en que, por la fragilidad del material, las pruebas de tracción no dan resultados convincentes. No es por tanto, un ensayo de aplicación general para los materiales sino, más bien, para las estructuras fabricadas con éstos.
Se efectúa sobre probetas de sección circular o rectangular, apoyadas libremente por sus extremos, en dos soportes de rodillos cuya distancia puede variarse. En el punto medio de la distancia entre apoyos actúa sobre la probeta una carga progresivamente creciente, y se mide allí la deformación o flecha.