Ensayo de materiales

Se obtienen resultados referentes a los valores numéricos de ciertas magnitudes físicas. Permiten obtener valores precisos y reproducibles de las propiedades ensayadas, pues las condiciones a las que se somete el material se encuentran normalizadas. Un ejemplo de este ensayo es el ensayo de tracción, del que se obtiene la resistencia a la tracción, y se expresa en kp/mm²

Conoceremos rápidamente la composición, tratamiento o tipo de conformación de algún material de forma aproximada. Nos informaran para saber si un material va a ser capaz de soportar las condición de esfuerzos y cargas que sufrirá en las condiciones normales de trabajos (no valores cuantitativos) reproducir fielmente las condiciones de trabajo.

Se utilizan para comprobar si las propiedades de un material o pieza son adecuadas para cierta utilidad o si dichas propiedades son las que se presuponen. Un ejemplo de este ensayo son las pruebas de caída, los de maleabilidad para un material de forja o las de flexión alternativa en alambres, en la que se cuenta el número de veces que una pieza de alambre se puede doblar alternativamente sin que se rompa.

Permiten conocer la composición cualitativa y cuantitativa del material, la naturaleza del enlace químico y la estabilidad del material en presencia de líquidos o gases corrosivos.

Se cuantifican la densidad, el punto de ebullición, el punto de fusión, la conductividad eléctrica, etc.

Se determina la resistencia del material mediante su sometimiento a distintos esfuerzos. Varios ejemplos de estos ensayos son los ensayos de tracción, dureza, choque, fatiga o ensayos tecnológicos.

Consisten en analizar la estructura interna del material mediante un microscopio.

Los ensayos de materiales pueden ser de dos tipos, ensayos destructivos y ensayos no destructivos. Estos últimos permiten realizar la inspección sin perjudicar el posterior empleo del producto, por lo que permiten inspeccionar la totalidad de la producción si fuera necesario.

Se analizan las grietas y defectos internos de una pieza, sin tener en cuenta las propiedades del material y sin dañar su estructura. Varios ejemplos de estos ensayos son los análisis de rayos X y los análisis por ultrasonidos. Estrictamente estos métodos no pertenecen a ensayos de materiales, ya que únicamente se analizan los defectos en una pieza concreta.

Entre los ensayos no destructivos se encuentran los siguientes:

• Ensayo de durezas (en algunos casos no se considera como ensayo no destructivo, especialmente cuando puede comprometer la resistencia de la pieza a cargas estáticas o a fatiga)
• Inspección visual, microscopía y análisis de acabado superficial
• Ensayos por líquidos penetrantes
• Inspección por partículas magnéticas
• Ensayos radiológicos
• Ensayos por corrientes inducidas
• Ensayos de fugas: detección acústica, detectores específicos de gases, cromatógrafos, detección de flujo, espectrometría de masas, manómetros, ensayos de burbujas, etc.

Se produce la rotura o daño sustancial en la estructura del material. Varios ejemplos de estos ensayos son los ensayos mecánicos de tracción o dureza, los ensayos físicos, como la determinación de los puntos de fusión y ebullición, el ensayo químico frente a corrosión, el ensayo de tensión, flexión, compresión, etc.

La velocidad de aplicación de las fuerzas al material no influyen en el resultado del ensayo. En el ensayo de tracción, por ejemplo, la velocidad de aplicación de la fuerza se mantiene por debajo de cierto límite para que el ensayo sea estático.

La velocidad de aplicación de las fuerzas juega un papel decisivo. Un ejemplo de este ensayo es el ensayo de flexión por choque.

Diagrama tensión-deformación típico de un metal, obtenido en un ensayo de tracción

En el diagrama tensión-deformación se pueden apreciar dos zonas:

• Zona elástica (O-2): La deformación experimentada por la probeta no es permanente. Si en cualquier punto entre O y 2 se detiene el ensayo, la probeta recuperará su longitud inicial.
• Zona plástica (2-4): Los alargamientos son permanentes. Si el ensayo se detiene en el punto 3, la probeta recupera la deformación elástica (${\displaystyle \varepsilon _{e}}$) persistiendo al final de una deformación remanente o plástica (${\displaystyle \varepsilon _{p}}$).

Dentro de la zona elástica se distinguen:

• Zona proporcional: Existe una relación de proporcionalidad entre la tensión y la deformación experimentada por la probeta.

${\displaystyle \sigma _{=}{E}\cdot {\varepsilon }}$

siendo E el módulo de Young o módulo de elasticidad longitudinal, medido en N/m².

• Zona no proporcional: Las deformaciones no son permanentes. Si se detiene el ensayo y se deja de aplicar una fuerza a la probeta, recupera su longitud inicial. No existe una relación de proporcionalidad entre la tensión y la deformación.

Dentro de la zona plástica se distinguen:

• Zona de deformación plástica uniforme: La curva se hace más tendida, no es necesario un incremento de carga elevado para conseguir grandes alargamientos. La fuerza máxima dividida entre la sección inicial de la probeta determina la resistencia a la tracción (${\displaystyle \sigma _{R}}$), punto en el que finaliza la zona plástica de deformación uniforme.
• Zona de estricción o de deformación plástica localizada: La deformación se localiza en una determinada zona de la probeta, la tensión disminuye y la probeta termina por romper dicha zona.

Si se reinicia el ensayo, la curva de tracción coincidirá con la curva de descarga, y la zona elástica se hace mayor. Con esto se consigue un endurecimiento por deformación.

Una forma de medir la tenacidad de los materiales consiste en realizar un ensayo de tracción simple en el que la velocidad de aplicación de la fuerza sea alta. El área comprendida entre la curva de esfuerzos y el eje de abscisas representa el trabajo necesario para romper el material. El trabajo dividido por el volumen de la probeta utilizada proporciona una medida de su tenacidad al impacto.

Este tipo de ensayos es poco frecuente, ya que la preparación de las probetas resulta más cara.

Péndulo de Charpy

El más utilizado es el ensayo de resiliencia, también conocido como ensayo Charpy. En este ensayo se dispone de una probeta de sección cuadrada de 10 x 10 mm y 55 mm de longitud, en cuya parte central se ha realizado previamente una entalla de 2 mm de profundidad en forma de U o V, con un fondo cilíndrico de 0,25 mm de radio.

El ensayo consiste en golpear la probeta por el lado opuesto a la entalla con un péndulo que se deja caer desde cierta altura.

La resiliencia se calcula dividiendo la energía consumida por el material en la rotura entre la sección de la probeta por su parte entallada (${\displaystyle S_{0}}$). Si la entalla tiene forma de U, se usará KCU, y si tiene forma de V se usará KCV.

${\displaystyle KCU}$ o ${\displaystyle KCV={\frac {W}{S_{0}}}={\frac {Ph}{S_{0}}}={\frac {PL(cos\alpha _{2}-cos\alpha _{1})}{S_{0}}}}$

La resiliencia se mide en J/m²

Los péndulos de Charpy están normalizados. En la posición inicial poseen una energía de 300 J, y en el momento del impacto de la probeta se mueven a una velocidad aproximada de 5 m/s.

Si la probeta no llega a romperse, el valor de la resiliencia no quedará definido. Si sucede esto, debe de indicarse en los resultados obtenidos.