ENSAYOS DESTRUCTIVOS EN LA SOLDADURA Segunda parte

ENSAYOS DESTRUCTIVOS EN LA
SOLDADURA
Segunda parte
ENSAYO DE TRACCIÓN
El ensayo de tracción se realiza en una máquina universal, formada principalmente de una
bancada robusta para darle mejor apoyo y más estabilidad a la máquina cuando aplicamos las cargas
durante el ensayo. Dicha bancada forma un conjunto con dos ejes verticales (+Y –Y), que sirven para
subir o bajar. Estos dos ejes contienen a otros dos pero perpendicular a ellos, que en algunos casos pueden
hacer movimientos horizontales (+X –X), que sirven para ir de derecha a izquierda, donde están fijados
los cabezales de sujeción de las probetas. Un grupo hidráulico formado por: un depósito donde se
almacena el aceite, un potente motor capaz de desarrollar las cargas establecidas, junto a las tuberías de
reparto del aceite que llegan a las botellas hidráulicas donde van fijados los cabezales de sujeción de las
probetas. Por último el ordenador que es donde controlamos todos los parámetros de la máquina, como la
temperatura, la carga aplicada, las equivalencias, las constantes, diagramas, etc.
cabezales de sujeción
máquina universal
1 Las probetas para ensayos de tensión se fabrican con forma y dimensiones normalizadas. La
sección transversal de la probeta puede ser redonda, cuadrada o rectangular. Se utiliza en la mayoría de
los casos una probeta de sección redonda para ensayos de metales. Para placas y láminas normalmente se
utiliza una probeta metálica plana.
probeta redonda metálica
probeta plana metálica
El ensayo de tracción consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de
tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta, con el objetivo de determinar las siguientes
propiedades mecánicas: la resistencia mecánica, el límite de elasticidad, el alargamiento y la rotura.
Permite obtener información sobre la capacidad de un material para soportar la acción de cargas estáticas
o de cargas que varían lentamente a temperaturas homologas inferiores a 0,5 (parámetro adimensional que
se define como el cociente entre las temperaturas de ensayo y de fusión).
Observando el diagrama del ensayo de tracción de un metal dúctil, podemos destacar los
siguientes conceptos:
1.- Límite de proporcionalidad (recta OP), corresponde al mayor esfuerzo, que es directamente
proporcional a la deformación. Es decir, es el mayor esfuerzo en el que la curva en un diagrama cargadeformación en una línea recta.
La tensión unitaria o carga unitaria σp en el punto P, se expresa en kgf/mm2 o en kgf/cm2.
Donde S0 es la sección inicial de la probeta en mm2 y F es la carga aplicada en ese punto en Newton N.
2 σ
P
FP
S0
2.- Límite de elasticidad (punto E). Es la tensión máxima que un material elástico puede
soportar sin sufrir deformaciones permanentes. La zona OE es elástica, al cesar la carga FE la probeta
recobra su forma original, cualquier carga superior a FE producen deformaciones permanentes.
Se expresa en kgf/mm2 o en kgf/cm2. Donde σE es el límite aparente de elasticidad, F es la carga
expresada en Newton y S0 es la sección inicial de la probeta en mm2.
σ
Ε
FE
S0
3.- Límite aparente de elasticidad o limite de fluencia. El tramo PB es ligeramente curvo ya
que P termina la zona de proporcionalidad. El punto B es el límite que a pesar de que la deformación
crece, la indicación obtenida en el ensayo se para o crece.
Se expresa en kgf/mm2 o en kgf/cm2. Donde σB es el límite aparente de elasticidad, F es la carga
expresada en Newton y S0 es la sección inicial de la probeta en mm2.
σ
Β
FB
S0
4.- Carga unitaria de rotura. Es la carga máxima FR, aplicada durante el ensayo viene
expresada en Newton. Se expresa en kgf/mm2 o en kgf/cm2. Donde σR es el límite aparente de elasticidad
y S0 es la sección inicial de la probeta en mm2.
σ
R
FR
S0
5.- Alargamiento. Es la longitud que aumenta la probeta hasta que se rompe. Donde δ es el
alargamiento, L0 es la longitud inicial de la probeta (antes del ensayo), y LU es la longitud de la probeta
estirada (en el momento de rotura), ambas expresadas en milímetros.
δ = LU – L0
El alargamiento unitario ε es la relación que existe entre el alargamiento δ de la probeta y la
longitud inicial L0.
ε δ
L0
3 6.- Módulo de elasticidad o módulo de Young. Es un tipo de constante elástica, que relaciona
una medida relacionada con la tensión, y una medida relacionada con la deformación. Se basa en la ley de
Hooke que expresa la relación constante que existe entre los esfuerzos y los alargamientos unitarios. Se
representa por la letra E, donde
σP es
kgf/mm2, y ε es el alargamiento unitario.
la tensión unitaria en el límite elástico, ambas expresadas en
E σP
ε
ENSAYO DE COMPRESIÓN
El ensayo de compresión se realiza en la máquina universal, la misma que la del ensayo de
tracción. Es un ensayo mucho menos empleado que el ensayo de tracción, aplicándose sobre todo en
probetas de materiales que van a trabajar a compresión, como aceros, fundiciones, piezas acabadas y
hormigones. Estas han de ser capaz de provocar un estado de tensión compuesta que aumenta la
resistencia del material, a medida que irá leyendo la influencia de cargas que recibe la probeta.
detalle de la sección media de la probeta
máquina universal
En los ensayos de compresión la forma de la probeta tiene gran influencia, por lo que todos
ellos son de dimensiones normalizadas. La probeta normal para materiales metálicos es un cilindro
cuya altura es igual al diámetro. Utiliza probetas normalizadas cilíndricas para metales y cúbicas para
los no metales. Todas las consideraciones tenidas en cuenta en el ensayo de tracción son válidas con
sólo tener en cuenta que cambia el signo de tensiones y deformaciones. La resistencia a compresión de
todos los materiales siempre es mayor que a tracción. Se suele usar en materiales frágiles. Hay que
tener mucho cuidado en la colocación correcta de la probeta, de no ser así falsearía el resultado.
probeta normal antes y después del ensayo
El ensayo de compresión consiste en aplicar una carga estática a una probeta en dirección
longitudinal de su eje, que tiende a provocar un acortamiento de la misma y cuyo valor se irá
incrementando hasta la rotura, aplastamiento o suspensión del ensayo. Este ensayo estudia el
comportamiento de un material sometido ante fuerzas o cargas de compresión progresivamente
4 crecientes. En los materiales elásticos no existe una carga de rotura por compresión, ya que se aplastan sin
romperse.
Los datos que proporciona el diagrama de compresión son similares a los de tracción, pero de
signo contrario, Podemos destacar los siguientes puntos:
parte móvil
S
S
parte fija
1.- Tensión unitaria de compresión. Se representa por la letra σc, y se expresa en kgf/mm2.
Donde F es la carga expresada en Newton y S0 es la sección inicial de la probeta en mm2.
σ
C
F
S0
2.- Contracción total. Se expresa en mm2 y se representa por la letra ΔL, donde L0 es la
longitud inicial de la pieza antes de que actuase la primera carga o fuerza y LU es la longitud final cuando
actúa la última carga o fuerza.
ΔL = L0 – LU
5 3.- Contracción en %. Se representa por la letra a y se expresa en %. Donde L0 es la longitud
inicial de la pieza antes de que actuase la primera carga o fuerza y LU es la longitud final cuando actúa la
ultima carga o fuerza.
a LO - LU .100
LO
4.- Contracción unitaria. Se expresa en mm2 y se representa por la letra ε, donde ΔL es la
contracción total y L0 es la longitud inicial de la pieza antes de que actuase la primera carga o fuerza.
ε ΔL
L0
ENSAYO DE CIZALLADURA
El ensayo de cizalladura o cizallamiento se realiza en la máquina universal, la misma que la
del ensayo de tracción y compresión, con la diferencia, de que hay que cambiar las mordazas de sujeción
de la probeta, por un útil especial que simula una cizalla. Está ha de estar bien fijada a los ejes para que
no hayan holguras que puedan herrar el ensayo. El aparato de cizalladura debe estar en condiciones de
aplicar un esfuerzo normal a las caras de la probeta y medir el cambio de espesor de esta. También debe
ser capaz de aplicar una fuerza de cizalladura a la probeta a lo largo de un plano de cizalladura
predeterminado (cizalladura simple) paralelo a las caras de la muestra.
Las mordazas que sujetan la probeta, deben ser lo suficientemente rígidas para prevenir su
distorsión durante el ensayo. Las diferentes partes del aparato de cizalladura deben ser construidas de un
material que no esté sujeto a la corrosión por humedad como acero inoxidable, bronce, aluminio, etc.,
dependiendo del material a ensayar. Este ensayo es muy usado para chavetas, pernos, tornillos, remaches,
etc.
útil para cizalladura
máquina universal
Este ensayo determina el comportamiento del material sometido a un esfuerzo cortante,
progresivamente creciente, hasta conseguir la rotura. El ensayo se lleva a cabo deformando una muestra a
velocidad controlada, cerca a un plano de cizalladura determinado por la configuración del aparato de
cizalladura. Los esfuerzos de cizalladura y los desplazamientos no se distribuyen uniformemente dentro
de la muestra y no se puede definir una altura apropiada para el cálculo de las deformaciones por
cizalladura. Aparte de cargas uniaxiales de tracción, los elementos de sujeción se encuentran sometidos
en la práctica a cargas de cizallamiento que pueden causar una rápida rotura de la unión. Por ello hay que
realizar también ensayos de cizallamiento en piezas unidas o probetas.
6 El diagrama esfuerzo-deformación del ensayo de cizallamiento es similar al de tracción y
compresión, apareciendo una zona de proporcionalidad OP, el punto B es el límite de fluencia o limite
practico de la zona elástica, de B a U la zona no es elástica y en U se produce la rotura.
La tensión de cizalladura simple, donde F es la fuerza en N y S el área de la probeta, se calcula:
σ
F
S0
Z
S
La tensión de cizalladura compuesta con dos apoyos, se calcula:
S0
σ
S0
Z
F
2S0
ENSAYO DE FLEXIÓN
El ensayo de flexión se realiza en la máquina universal, la misma que la del ensayo de tracción,
compresión y flexión, con la peculiaridad, de que hay que cambiar las mordazas de sujeción de la probeta
y la que actúa aplicando la fuerza de deformación. Este ensayo se puede hacer de diferentes formas en
función del ensayo, siendo estos de un solo apoyo, de dos apoyos y de cuatro apoyos.
detalle de la flexión
máquina universal
Se utiliza para el estudio principalmente de fundiciones, de arcos y vigas, que son elementos
estructurales pensados van a trabajar predominantemente en flexión. En los tubos, chapas y perfiles, al
deformarlos cuando se someten fuerzas de torsión o de tensionamiento, el material aparece estirado y
aplastado. Las chapas deformadas o abolladas aparecen tensiones de tracción y de presión en los
puntos, los cuales no se puede reconocer siempre el efecto de fuerza original. Estas tensiones pueden
ser eliminadas solamente a través del generamiento de contratensiones orientadas, cuyo efecto debe
7 exceder las tensiones originales. Cuanto más fuerte sea la deformación de la pieza de trabajo, mayores
serán también las tensiones interiores en el material. También en los radios exteriores de flexiones se
presentan tensiones de tracción a través del estiramiento del material.
probeta cilíndrica
probeta en pletina
probeta en perfiles pesados y ligeros
El ensayo de flexión consiste en someter a una deformación plástica una probeta recta de
sección plena, circular o poligonal, mediante el pliegue de ésta, sin inversión de su sentido de flexión,
sobre un radio especificado al que se le aplica una presión constante. Es importante que cumplas dichas
condiciones, ya que todos los materiales oponen una resistencia contraria a cada cambio de forma o
deformación. Es una prueba casi estática que determina el módulo de flexión, el estrés de flexión y la
deformación por flexión. Este esfuerzo de flexión se obtiene cuando se aplican sobre un cuerpo pares de
fuerza perpendiculares a su eje longitudinal, de modo que provoquen el giro de las secciones transversales
con respecto a los inmediatos.
La resistencia del material varía con la distancia entre apoyos, debido a que mientras los
momentos flectores aumentan o disminuyen con ésta, los esfuerzos cortantes se mantienen
constantes, por lo que será tanto menor su influencia cuanto mayor sea la luz entre apoyos. Es por
esta razón que la distancia entre los soportes de la probeta, han de estar normalizadas, en función de
la altura o diámetro de la misma, pudiendo aceptar entonces que la acción del esfuerzo de corte
resulta prácticamente despreciable. Para ensayos más precisos la aplicación de la carga se hace por
intermedio de dos fuerzas con lo que se logra flexión pura.
El rasgo más destacado es que un objeto sometido a flexión presenta una superficie de puntos
llamada fibra neutra tal que la distancia a lo largo de cualquier curva contenida en ella no varía con
respecto al valor antes de la deformación. Cualquier esfuerzo que provoca flexión se denomina momento
flector. Los resultados del ensayo de flexión muestran de forma especial el comportamiento del material
cerca de la superficie de la probeta. En comparación con el ensayo de tracción, las flexiones medidas en
el ensayo de flexión son aproximadamente cuatro veces mayores que los cambios de longitud en el
ensayo de tracción. Si el efecto de fuerza es pequeño, no se somete la resistencia del material. Si este se encoje a su
posición inicial nuevamente, la dilatación fue elástica, llamándose elasticidad recuperadora. Si el efecto
de fuerza es mayor a la resistencia del material, se presenta una deformación plástica, donde el material
finalmente se recoge en el tamaño de su dilación elástica. Por eso se debe tener siempre en cuenta la
medida de la elasticidad recuperadora en el flexionamiento y en la torsión. Los resultados de esta prueba
describen el comportamiento de un material a través de un diagrama de estrés-deformación, al igual que
las pruebas de compresión y tracción.
En este caso de onda senoidal, hay que imaginar que la tensión representada es una tensión con
ciclos de tracción (cuando es positiva) y de compresión (cuando es negativa).
8 La resistencia a la flexión se calcula con la siguiente formula, donde la tensión será la
relación del esfuerzo con la sección de donde actué. El momento flector se representa Mfmax, y se
expresa en kgf/mm2. Donde F es la carga expresada en Newton y L es la longitud entre los apoyos.
M fmax F. L
4
Si el modulo resistente Wz es:
Wz
π .d 3
32
Sustituyendo en la formula que determina la tensión y considerando el momento flector máximo,
obtenemos la resistencia estática o modulo de rotura de la flexión. Se expresa en Kgmm/mm2.
σf
F
Mfmax
WZ
ENSAYO DE PANDEO
El ensayo de pandeo se realiza en la máquina universal, la misma que la del ensayo de
flexión, tracción, compresión y flexión. Se aplica sobre todo en probetas de materiales que van a
trabajar a compresión, como aceros, fundiciones, piezas acabadas y hormigones. Estas han de ser
capaz de provocar un estado de tensión compuesta que aumenta la resistencia del material, a medida
que irá leyendo la influencia de cargas que recibe la probeta. Se utiliza para el estudio principalmente
de vigas, pilares, tubos, perfiles, varillas, etc., que son elementos estructurales pensados van a trabajar
predominantemente a compresión.
El ensayo de pandeo tiene como objetivo investigar el comportamiento de elementos largos
(esbeltos) sometidos a cargas de compresión axial, es decir, que no fallan por aplastamiento. Ya que, si se
aumenta el trabajo a compresión de un pilar muy alto y delgado, o una barra que sea esbelta (de poca
sección en relación a su longitud), aparece el peligro del pandeo. Se llama así a una brusca curvatura
hacia un lado que sufre el pilar o la barra, y que generalmente termina en su rotura.
9 detalle de pandeo
máquina universal
El pandeo se produce al comprimir un elemento esbelto, por medio de dos fuerzas opuestas,
aplicadas en su eje (línea central) longitudinal. Dichas fuerzas deben trasladarse en línea recta a lo largo
de ese je, hasta anularse o contrarrestarse una frente a la otra. En teoría si el elemento comprimido es
perfectamente recto, no debería producirse pandeo. Generalmente termina con la ruptura de la pieza
afectada, salvo que desaparezca o disminuya antes la carga. La manera corriente de evitar el pandeo es
aumentando la sección. La longitud de pandeo se representa por la letra lk, donde β es el coeficiente
adimensional que depende de la forma de los apoyos, y l que es la longitud real de la pieza.
lk = β . l
ENSAYO DE TORSIÓN
El ensayo de torsión se realiza en un maquina especial, que consta de una bancada donde van
fijados los dos motores eléctricos de la máquina. En los ejes de los motores se fijan los mandriles, que es
donde sujetamos las probetas. Y por último el ordenador, que es donde se queda recogida toda la
información del ensayo. Como puede ser: fuerzas aplicadas, ángulo de torsión, r.p.m., etc.
El ensayo de torsión tiene como objetivo determinar el comportamiento de materiales sometidos
a cargas de giro. Consiste en aplicar un par torsor a una probeta por medio de un dispositivo de carga y
medir el ángulo de torsión resultante en el extremo de la probeta. Este ensayo se realiza en el rango de
comportamiento linealmente elástico del material. Sus datos se usan para construir un diagrama cargadeformación y para determinar el límite elástico del módulo elástico de torsión, el módulo de rotura en
torsión y la resistencia a la torsión. Las probetas utilizadas en el ensayo son de sección circular. La
deformación plástica alcanzable con este tipo de ensayos es mucho mayor que en los de tracción o en los
de compresión. El esfuerzo cortante producido en la sección transversal de la probeta L y el ángulo de
torsión α.
10 ángulo de torsión
Los resultados del ensayo de torsión resultan útiles para el cálculo de elementos de máquina
sometidos a torsión tales como ejes de transmisión, tornillos, resortes de torsión y cigüeñales. Los
materiales empleados en ingeniería para elaborar elementos de máquinas rotatorias, como los cigüeñales
y árboles motores, deben resistir las tensiones de torsión que les aplican las cargas que mueven.
La torsión se refiere a la deformación helicoidal que sufre una determinada sección transversal
de un cuerpo cuando se le aplica un par de fuerzas (sistema de fuerzas paralelas de igual magnitud y
sentido contrario). El ángulo de torsión varía longitudinalmente. La torsión se puede medir observando la
deformación que produce en un objeto un par determinado. La tensión cortante se representa por la letra τ
y se expresa en kgf/cm2. Donde Mt es el momento torsor, expresado en kgf·cm, y W0 es el módulo
resistente a la torsión, expresado en cm3.
τ
Mt
W0
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