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Ensayos Mecánicos. Trabajo de Ciencia y Resistencia de Materiales. 3º Curso de Ingeniería de la Salud. Universidad de Málaga.

Creado por : Juan Fco Doblas Muñoz. Eduardo Reyes Ainoa Urquid Salinas Alfonso Chaparro Sánchez Paco Contreras Fernández

Índice de contenido 1.Introducción. 2.Ensayo de Tracción.:Uso del diagrama esfuerzo-deformación 2.1.1 Ensayo: Probetas. 2.3. Esfuerzo y Deformación Ingenieríles. 2.4. Datos Extraídos del ensayo. 3. Ensayo de Flexión para materiales frágiles. 3.1. Falla por flexión. 4. Esfuerzo Real- Deformación Real. 5. Ensayos de dureza. 5.1. Tipos de ensayo. 6. Ensayo de impacto. 7. Tenacidad a la fractura 7.1. Importancia de la mecánicade la fractura. 8. Ensayo de fatiga. 8.1. Velocidad de crecimiento de las grietas. 9. Ensayo de Termofluencia 10. Conclusiones

1.Introducción Los ensayos mecánicos son pruebas, cuyo fin es determinar las propiedades mecánicas de un material, en las que se determina la resistencia del material mediante su sometimiento a distintos esfuerzos. En el proceso de formación de un ingeniero biomédico, es importante el conocimiento de la ciencia de los materiales, ya que ésta proporciona las herramientas necesarias para comprender el comportamiento general de cualquier material, lo cual es necesario a la hora de desarrollar adecuadamente diseños de componentes, sistemas y procesos que sean confiables y económicos. Cuando hablamos de la manipulación de materiales es muy importante conocer e identificar todas las características y propiedades mecánicas que éstos poseen. Cuando tratamos de seleccionar un material para adecuar sus propiedades mecánicas a las condiciones requeridas para el componente. El primer paso requiere que se analice la aplicación, en donde determinaremos las características más importantes que el material debe poseer. Si deberá de ser resistente, rígido o dúctil, sí tendrá que estar sometido a un gran esfuerzo y temperatura elevada o condiciones abrasivas. Una vez conocidas las propiedades, podemos seleccionar el material adecuado ayudándonos de la información incluida en los manuales. Para llegar hasta estas propiedades tenemos que tener en cuenta que dichas propiedades se han obtenido a partir de ensayos y pruebas ideales. Por tanto, en este tema estudiaremos varios ensayos que utilizaremos para medir la forma en la que un material resiste a una fuerza aplicada y los resultados de estos ensayos serán las propiedades mecánicas del material empleado.

2. Ensayo de Tracción: uso del diagrama esfuerzo-deformación El ensayo de tensión mide la resistencia que ofrece un material a la aplicación de una fuerza axial estática o gradualmente aplicada (cuasiestática). Esta prueba consiste en alargar una probeta de ensayo normalizada por fuerza de tensión, ejercida uniaxialmente a lo largo su eje y de forma gradual hasta que se produce su rotura, con el fin de conocer ciertas propiedades mecánicas de materiales en general: su resistencia, rigidez y ductilidad, que pueden servir para el control de calidad, las especificaciones de los materiales y el cálculo de piezas sometidas a esfuerzos. El ensayo de tensión o tracción es de gran importancia para medir la resistencia a la tensión de materiales.

2.1. 1. Ensayo: Probetas. La probeta se coloca en la máquinas de pruebas y se le aplica una fuerza F, conocida como carga, posteriormente, el alargamiento producido por la aplicación de la carga se mide en el extensiómetro. Las probetas utilizadas en el ensayo de tracción tienen una sección transversal circular o rectangular. La parte central debe estar mecanizada para que su sección sea constante.Sobre la parte calibrada se marca la longitud inicial (Lo) de la probeta. En los extremos de la probeta la sección aumenta para facilitar su sujeción a las mordazas de la máquina de tracción. Estas zonas reciben el nombre de cabezas

Para que los ensayos con probetas de diferentes dimensiones sean comparables, es preciso que K= Lo/Ao= L'o/A'o se mantenga constante.

2.1.2. Dispositivos de ensayo

Las máquinas utilizadas en el ensayo de tracción constan de un dispositivo productor de carga, y otro dispositivo medidor de cargas y desplazamientos registrados. La máquina debe cumplir las siguientes características:

La aplicación de la fuerza de tracción tiene lugar en la dirección del eje de la probeta. Debe ser posible regular la velocidad de aplicación de la carga. El proceso de descarga tiene que realizarse de forma progresiva. Una galga extensiométrica o extensómetro es un sensor, que mide la deformación, presión, carga, par, posición, etc. y se basa en el efecto piezorresistivo.La piezorresistividad es la propiedad de algunos materiales conductores y semiconductores, cuya resistencia eléctrica cambia cuando se los somete a un esfuerzo o estrés mecánico (tracción o compresión) que los deforma. Dicho cambio es debido a la variación de la distancia interatómica (en el caso de los metales) y a la variación de la concentración de portadores (en el caso de los semiconductores).

2.3. Esfuerzo y Deformación ingenieriles Para un material dado, los resultados de un solo ensayo serán aplicables a todo tamaño u forma de muestras si se convierte la fuerza en esfuerzo y la distancia entre marcas calibradas en deformación. El esfuerzo y la deformación ingenieriles se definen mediante las ecuaciones siguientes:

Donde Ao es el área original de la sección transveral de la probeta antes de inicairse el ensayo, lo es la distancia original entre marcas calibradas y l es la distancia entre las mismas después de haberse aplicado la fuerza F. Tomando distintas medidas de cargalongitud calibrada, y convirtiéndolas posteriormente mediante las formulas anteriores a esfuerzo- deformación obtendremos, una tabla característica para cada material y una curva esfuerzo-deformación de la que obtendremos gran cantidad de información.

2.4. Datos extraídos del ensayo. -Módulo de elasticidad o módulo de Young, E: Propiedades elásticas del material. E es la pendiente de la curva esfuerzo-deformación en su región elástica. Esta relación se denomina Ley de Hooke:

El módulo de E está íntimamente relacionado con la energía del enlace atómico, por lo que una pendiente muy acentuada o abrupta en la gráfica fuerza- distancia en la zona de equilibrio indica que se requieren grandes fuerzas para separar los átomos y hacer que el material se deforme elásticamente. Por tanto el material tendrá un módulo de elasticidad alto. Por lo general, tanto las fuerzas de enlace como el módulo de elasticidad son mayores en materiales con altos puntos de fusión.

-Coeficiente de Poisson: relaciona la deformación elástica longitudonas producida por

un esfuerzo simple a la tensión o compresión, con la deformación lateral que ocurre simultáneamente:

-Esfuerzo de cedencia, límite de fluencia o límite elástico aparente: valor de la

tensión que soporta la probeta en el momento de producirse el fenómeno de la cedencia o fluencia. Este fenómeno tiene lugar en la zona de transición entre las deformaciones elásticas y plásticas y se caracteriza por un rápido incremento de la deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada. -Módulo de resistencia, Er: el área que aparece bajo la porción elástica de la cuva esfuerzo-deformación. Es la energia elástica que un material absorbe o libera durante la aplicación y liberación de la carga respectivamente. En el caso de un comportamiento elástico lineal:

-Resistencia a la tensión: el esfuerzo máximo obtenido sobre la curva esfuerzodeformación ingenieril, correspondiente al valor máximo de la fuerza aplicada. En cierto momento, una región se deforma más que otras y ocurre una reducción local de importancia en la sección recta. Esta sección localmente deformada se conoce como zona de estricción o encuellamiento. Dado que el área de la sección transversal en este punto se reduce, se requiere una fuerza menor para continuar su deformación y se reduce el esfuerzo ingenieril, calculado a partir del área original Ao. La resistencia a la tensión es el esfuerzo al cual se inicia este encuellamiento o estricción en materiales dúctiles.

-Ductilidad: mide el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Se puede representar mediante 2 métodos: El % de elongación: representa la distancia que la probeta se alarga plásticamente antes de la fractura:

Donde lf es la distancia entre las márcas calibradas después de la ruptura del material.

El % de reducción en área: expresa el adelgazamiento sufrido por el material durante la prueba:

Donde Af es el área de la sección transversal en la superficie de la fractura. -Efecto de la temperatura: las propiedades a la tensión dependen de la temperatura. Tanto el esfuerzo de cedencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad disminuyen a temperaturas más altas, aumentando la ductilidad.

3. Ensayo de flexión para materiales frágiles

En ingeniería se denomina flexión al tipo de deformación que presenta un elemento alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal. El término "alargado" se aplica cuando una dimensión es dominante frente a las otras. Un caso típico es el de las vigas, como las de las imágenes, que están diseñadas para trabajar, principalmente, por flexión. 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. El esfuerzo que provoca la flexión se denomina momento flector.

El ensayo de flexión se usa para determinar las propiedades de los materiales frágiles en tensión. Se basa en la aplicación de una fuerza al centro de una barra soportada en cada extremo, para determinar la resistencia del material hacia una carga estática o aplicada lentamente. Normalmente se usa en materiales frágiles, ya que estos presentan dificultades cuando tratamos de fijarlos en las mordazas tensoras del ensayo de tensión, la superficie es defectuosa y se rompe la probeta. Resistencia a la flexión: Esfuerzo necesario para romper un espécimen en un ensayo de flexión. También se le conoce como modulo de ruptura. Si las fuerzas actúan sobre una pieza de material de tal manera que tiendan a inducir esfuerzos compresivos sobre una parte de una sección transversal de la pieza y los esfuerzos tensores sobre la parte restante, se dice que la pieza está en flexión.

3.1. Falla por flexión La viga puede fallar por cedencia de las fibras extremas. Cuando el punto de cedencia es alcanzado en las fibras extremas, la deflexión de la viga aumenta más rápidamente con respecto a un incremento de carga; y si la viga tiene una sección gruesa y fuerte o está firmemente empotrada de tal modo que no pueda torcerce o flambearse, la falla se verifica con un pandeo gradual que finalmente se torna tan grande que la utilidad de la viga como miembro sustentante queda destruida. En una viga de largo claro, las fibras en compresión actúan de manera similar a aquellas en compresión de una columna, y la falla puede tener lugar por flambeo. El flambeo, el cual generalmente ocurre en dirección lateral, puede deberse ya sea a la causa primaria o secundaria de la falla. En una viga en la cual el esfuerzo flexionante excesivo sea la causa primaria de la falla y en la cual la viga no esté firmemente sostenida contra el flambeo lateral, el sobreesfuerzo puede ser rápidamente seguido por el colapso de la viga debido al flambeo lateral, ya que la estabilidad lateral de la viga es considerablemente disminuida si sus fibras extremas son esforzadas hasta el punto de cedencia. El flambeo lateral puede ser una causa primaria de la falla de la viga, caso en el cual el esfuerzo en las fibras no alcanza la resistencia hasta el punto de cedencia del material antes de que el flambeo ocurra. El flambeo frecuentemente limita la resistencia de las vigas angostas. La falla de los miembros de alma delgada, como una vigueta, puede ocurrir debido a los esfuerzos excesivos en el alma o por el flambeo del alma bajo los esfuerzos compresivos diagonales que siempre acompañan a los esfuerzos cortantes. Si el esfuerzo cortante en el alma alcanza un valor tan alto como en de la resistencia has el punto de cedencia del material en corte, la falla de la viga puede esperarse y la manera de la falla probablemente derivará de alguna acción de flambeo o torsión secundaria. El peligro de la falla en el alma como una causa primaria de la falla de la viga existente, en general, solamente para las vigas cortas con alma delgada. La falla de las vigas de material quebradizo como el hierro fundido y el concreto simple siempre ocurre por ruptura súbita. Sin embargo cuando simple siempre ocurre por ruptura súbita. Sin embargo cuando se acerca al momento de la falla, el eje neutro se desplaza hacia el canto en la compresión y tiende así a reforzar la viga, la falla finalmente ocurre en las fibras tensadas porque la resistencia a la tensión de estos materiales es únicamente una fracción de la resistencia y a la compresión es de aproximadamente 25% para el hierro fundido y 10% para el concreto.

4. Esfuerzo real- Deformación real La reducción del esfuerzo más allá del punto de resistencia a la tensión ocurre debido a la reducción del área (cuello) y no a un ablandamiento del material. El esfuerzo y la deformación ingenieril se basan en el área inicial de la probeta y por lo tanto no tienen mucho sentido después del limite elástico, discrepan de la realidad. El esfuerzo real (σi) y la deformación real (εi), basadas en las áreas (Ai) y longitudes (Li) instantáneas, son variables que evalúan el esfuerzo y deformación verdadero, sobre todo para valores después de la carga máxima: σi = F /Ai εi = ln (li/lo) El esfuerzo real sigue incrementándose después de la deformación elástica del material, aunque la carga requerida disminuye (numerador), el área disminuye aún más rápido (denominador). Muy rara vez se diseña con el esfuerzo y la deformación real porque estas variables tienen sentido para después de la primera falla y ya para ese momento el material esta muy deformado.

5. Ensayo de dureza. El ensayo de dureza es, juntamente con el de tracción, uno de los más empleados en la selección y control de calidad de los metales. Intrínsecamente la dureza es una condición de la superficie del material y no representa ninguna propiedad fundamental de la materia. Se evalúa convencionalmente por dos procedimientos. El más usado en metales es la resistencia a la penetración de una herramienta de determinada geometría. El ensayo de dureza es simple, de alto rendimiento ya que no destruye la muestra y particularmente útil para evaluar propiedades de los diferentes componentes microestructurales del material. Los métodos existentes para la medición de la dureza se distinguen básicamente por la forma de la herramienta empleada (penetrador), por las condiciones de aplicación de la carga y por la propia forma de calcular (definir) la dureza. La elección del método para determinar la dureza depende de factores tales como tipo, dimensiones de la muestra y espesor de la misma. La dureza de un material se prueba pensando en que dureza es la capacidad de un material para resistir raspaduras o ser penetrado. El operario de maquinas herramientas, considera como dureza la resistencia a la a maquina. La razón de probar la dureza es para conocer otras propiedades; por ejemplo, la resistencia a la tensión, baja ductibilidad y más resistencia al desgaste. Alta dureza indica también baja resistencia al impacto, auque algunos metales cuando son tratados, tienen ambas: alta dureza y buena resistencia al impacto. Los cinco métodos para medir la dureza de los metales, son: •ROKWELL HRA, HRB, HRC, ... (Hardness Rockwell series A, B, C, ...) •BRINELL HBN (Hardness Brinell Number) •ESCLEROSCÒPICO •VICKERS HVN (Hardness Vickers Number) •MICRODUREZA La clasificación y los métodos varían con cada material, dando origen a los números de dureza: A continuación se detalla el procedimiento y el cálculo de cada uno de estos números estandarizados.

5.1. Tipos de ensayo.

BRINELL La prueba Brinell es el método comercial más antiguo. Una esfera de acero de 10 milímetros de diámetro, se presiona sobre la superficie del metal a prueba, con un peso encima de 3000 kilogramos. El diámetro de la huella impresa es medido mediante microscopio y el resultado se convierte en números de la tabla Brinell: ejemplo. Acero suave es el numero 100 Brinell y el resistente a la mordida de una lima es el 600 , aproximadamente, los que conocen con las iniciales BHN (Brinell Hardness Number) Este método se aplica para determinar la dureza de piezas no templadas (piezas laminadas, forjadas, moldeadas, matrices, accesorios y otras piezas). Determinación del numero de dureza de Brinell ROCKWELL La prueba de dureza Rockwell se usa en inspecciones, siendo de las que dejan identificación, pero con menos penetración pues la carga es menor que en la prueba Brinell. Para medir la dureza Rockwell se determina por la profundidad de la huella del penetrador (bolita o cono de diamante)en la superficie de la pieza y no por el área de la huella.

Las ventajas del método Rockwell consiste en la alta precisión de la medición, un gran rendimiento, un tamaño pequeño de la huella en la pieza y una técnica sencilla de ensayo. Para transformar los números de dureza Rockwell a Brinell existen nomogramas especiales. La medición de dureza por el método Rockwell ganó amplia aceptación en razón de la facilidad de realización y el pequeño tamaño de la impresión producida durante el ensayo. El método se basa en la medición de la profundidad de penetración de una determinada herramienta bajo la acción de una carga prefijada. El número de dureza Rockwell (HR) se mide en unidades convencionales y es igual al tamaño de la penetración sobre cargas determinadas. El método puede utilizar diferentes penetradores siendo éstos esferas de acero templado de diferentes diámetros o conos de diamante. Una determinada combinación constituye una "escala de medición", caracterizada como A,B,C, etc. y siendo la dureza un número arbitrario será necesario indicar en que escala fue obtenida (HRA, HRB, HRC, etc.). La carga total P es aplicada sobre el penetrador en dos etapas: una previa Po y una posterior P1 tal que: P= Po+P1 Inicialmente el cono penetra en la superficie una cantidad h0 sobre la acción de la carga P0 que se mantendrá hasta el fin del ensayo. Esta penetración inicial permite eliminar la influencia de las condiciones superficiales. A continuación se aplica la carga P1 y la penetración se acentúa. Finalmente la carga Pl es retirada y la profundidad h restante (solamente actúa P0) determina el número de dureza HR. La escala de los instrumentos de lectura empleados en las máquinas está invertida para permitir una lectura directa. En los certificados de calidad es común utilizar la escala HRB donde el cono de diamante es reemplazado por una esfera de 1/16" y la carga P1 vale 100 Kgf. En casos de materiales muy finos donde la carga de 100 Kgf es muy elevada, pudiendo inclusive perforar la muestra, es utilizada la escala Vickers con una carga de 10 Kgf y luego efectuada la transformación a la escala HRB utilizando tablas de conversión adecuadas.

6. Ensayo de impacto. Esta prueba se utiliza para evaluar la fragilidad de un material, cuando se somete a un golpe súbito e intenso, en el cual la velocidad de esfuerzo es grande. Algunos de los procedimientos más conocidos son el ensayo Charpy y el ensayo Izod. Este ensayo consiste en dejar caer un péndulo pesado, que inicia su movimiento desde una altura inicial h0, el cual a su paso golpea una probeta ubicada en unos soportes en la base de la máquina. Se debe dejar caer el péndulo desde un ángulo α= 90º, para que la velocidad en el momento del golpe esté entre 3 m/s y 6 m/s como establece la normativa. La probeta posee una muesca para facilitar el inicio de la fisura. Después de golpear y romper la probeta, el péndulo llega hasta una altura final h f.. La diferencia e...