D E S A R R O L L OEn esta sección se encontrara con una gran cantidad de ensayo realizados en nuestra escuela con equipamiento propio, la realización fue hecha en el marco de la Feria Juveniles de Ciencia y Tecnología Nacionales del año 1997 por los alumnos De Souza Santos Mauricio Javier, Eguia Ezequiel Marcos y Garquichevich Diego Gaspar todos ya Técnicos Mecánicos recibidos en nuestra escuela.

Las actividades llevadas a cabo para realizar este estudio consistieron, primero, en recabar toda la información referida a cada una de las experiencias.

Luego la realización de las experiencias prácticas con la obtención de los datos que caracterizan a cada material en estudio. Para la realización de los ensayos se debieron mecanizar 32 probetas (en el taller de nuestra escuela) todas las éstas según normas, partiendo  únicamente de dos barras, una de cada material.

  Esta sección se encontrara con el análisis completo de dos aceros: el SAE 1015 (acero al  Carbono con 0,15 % C) y el SAE 1045 (acero al Carbono con 0,45 % C).. Comprobaremos el comportamiento de los acero sometido a solicitaciones distintas, el de mayor % de C, debido a sus características soporta tensiones más elevadas en los distintos tipos de ensayos [Ensayo de Tracción, Compresión, Flexión y Corte] y además tiene, indudablemente, deformaciones menores que su similar. La dureza va en incremento con el % de C lo que implica una diferencia a favor del SAE 1045 [Ensayo de Dureza]. Sometido a grandes deformaciones estáticas [Ensayo de plegado], no hay grandes discrepancias ya que la diferencia de % de C de su estructura no es grande como para hablar de un material dúctil y otro frágil, pero si, la hora de evaluar la energía necesaria para producir la ruptura [Ensayo de Impacto] los valores son mayores para el material más tenaz como el de menor % de C. En la solicitación dinámica [Ensayo de Fatiga] el acero SAE 1045 soportar más número de ciclos que el SAE 1015 aún con tensiones más elevadas. El trabajo esta completado con un Análisis Químico completo y un Examen Metalográfico para saber con certeza con que materiales trabajamos.

A N Á L I S I S Q U Í M I C O 

Trabajamos con aceros provenientes de dos barras, una de cada material; el material fue provisto por un comercio el cual garantiza  las características pedidas. Pero para asegurarnos que trabajábamos con el material especificado se le realizará un análisis químico que tiene como objeto obtener los % de cada uno de los componentes que lo integran.

 

ANÁLISIS QUÍMICO DE LAS PROBETAS DE NUESTRO ESTUDIO.

En nuestro caso recurrimos al Instituto DAT (Dirección de asesoramiento y servicio tecnológico) ya que el instrumento de la escuela no es tan completo en función a los elementos que detecta. Se realizo en un Espectrofotometro de Admisión (para base hierro, o sea para solo análisis químicos de materiales ferrosos), marca SPECTROLAB. El análisis consiste en una chispa que ataca la muestra y lee el espectro que en función de la longitud  de onda de este espectro se determina los componentes. El chispeo se realiza en varios lugares de la muestra con una atmósfera de Argón para eliminar el oxigeno.

  De la serie de mediciones se hace un promedio obteniendo así el % de cada componente que forma el acero:Muestra 1

Carbono:0,166%     Silicio: 0,0076% Manganeso: 0,031%  Fósforo: 0,012%

Azufre:0,012% Cromo: 0,035% Níquel: 0,027% Molibdeno: 0,011

Aluminio:0,0005% Cobre: 0,046%  Wolframio: 0,028% Titanio: 0,0001%

Vanadio:0,0005%   Nobio: 0,0024% Estaño: 0,011% Boro: 0,0001%

Plomo:0,0072%   Hierro: 99,01%

 Muestra:2   

Carbono:0,428%  Silicio: 0,218% Manganeso: 0,740% Fósforo: 0,015%

Azufre:0,010% Cromo: 0,026%   Níquel: 0,045% Molibdeno:0,018

Aluminio:0,0005%  Cobre: 0,095% Wolframio: 0,018%  Titanio: 0,0001%

Vanadio:0,0005% Nobio: 0,018%      Estaño: 0,0092%  Boro: 0,0000%

Plomo:0,0050% Hierro: 98,35%

De los valores anteriores concluimos que la muestra 1 se trata de un ACERO SAE 1015 (no es un acero con 0,1 % de carbono como el proveedor del material especificó) y la muestra 2 es un ACERO SAE 1045. Esta investigación era intención de trabajar con un acero SAE 1010 más común que el SAE 1015

 

M E T A L O G R A F I A 

La metalografía estudia la estructura de los metales y sus aleaciones estos tienen un enorme campo de aplicación en las construcciones mecánicas y metálicas. 

EXAMEN MICROGRAFICO

Los ensayos micrográficos se realizan sobre muestras o probetas de los materiales que han de ser sometidos a estudio, preparamos una superficie que luego de ser pulida convenientemente, se ataca con reactivos químicos apropiados a la finalidad de la determinación a realizar.

Si el examen se ejecuta para analizar una fractura, la que se sospecha provocada por irregularidades en el material, las muestras deberán ser por lo menos dos, una de la propia fractura y otra de una zona intacta de la misma pieza, con el objeto de observar y comparar las modificaciones que ha sufrido la estructura y de las que se podrán deducir y contar con una mayor cantidad de datos, es necesario tener en cuenta  además, los tratamientos recibidos por la pieza en su fabricación, como forjado, laminado, recocido, temple, etc. pues en muchos casos (forjado y laminado) es beneficio contar  con muestras en las distintas direcciones de sus fibras. Como se ha indicado, el estudio en si se hace sobre superficies convenientemente preparadas de dichas muestras o probetas. Esta preparación consistente en llegar a un pulido casi perfecto, para lo cual se parte de un desbaste que podríamos llamar grueso, con el fin de aplanar la superficie, lo que se consigue con un ajuste a lima o con el auxilio de devastadoras mecánicas de diseño especial.

Los reactivos químicos y sus finalidades son muy variadas, pero en principio se busca con ellos la revelación, por coloración o por corrosión, de los distintos componentes de una estructura metalografica para poder diferenciarlos con facilidad. Por lo general, están constituidos por ácidos, álcalis, etc. diluidos en alcoholes, agua, glicerina, etc. Y su elección se hará de acuerdo con la naturaleza química la estructura a destacar en la muestra.

Con tal fin, una vez pulida la superficie se hará en agua caliente, frotándola con un algodón o tela suave para quitarle todo rastro de las operaciones anteriores o grasitud que pueda presentar, concluyendo esta limpieza con alcohol etílico o solvente similar y secándola con un soplado de aire caliente.

Las fotografías obtenidas de estos exámenes, genéricamente llamados “Microfotografías “, se logran con la ayuda del microscopio metalográfico, cuyos principios ópticos y de observación no difieren mayormente de los comunes. En él, con iluminación adecuada de una, se observa por reflexión (los rayos luminosos al incidir sobre el objeto se refleja hacia el ocular), la imagen de la superficie atacada, a través de un sistema de lentes con los que se amplifica según lo que requiera la observación.

Por otra parte, con la observación de las estructuras micrográficas y por comparación con microfotográfias, es posible deducir el contenido aparente de carbono, finura y variedad de los componentes, clasificación de aceros, reconocer las inclusiones por defectos de fabricación (óxidos, silicatos, oxisulfuros, silicoaluminatos), etc

EXAMEN METALOGRAFICOS A LAS PROBETAS DE SAE 1015 Y SAE 1045

Según como vemos en las micrográfias obtenidas de los exámenes, reafirman que la muestra 1 es un acero SAE 1015 según la distribución de la perlita y la ferrita. Y las micrografías de la muestra 2 reafirman que estamos trabajando con un acero SAE 1045, así lo muestra el contenido de ferrita y de la perlita laminar.

T R A C C I Ó N 

Un cuerpo se encuentra sometido a tracción simple cuando sobre sus secciones transversales se le aplican cargas normales uniformemente repartidas y de modo de tender a producir su alargamiento.Por las condiciones de ensayo, el de tracción estática es el que mejor determina las propiedades mecánicas de los metales, o sea aquella que definen sus características de resistencia y deformabilidad. Permite obtener, bajo un estado simple de tensión, el límite de elasticidad o el que lo reemplace prácticamente, la carga máxima y la consiguiente resistencia estática, en base a cuyos valores se fijan los de las tensiones admisibles o de proyecto (adm.)y mediante el empleo de medios empíricos se puede conocer, el comportamiento del material sometidos a otro tipo de solicitaciones (fatiga, dureza, etc.).Cuando la probeta se encuentra bajo un esfuerzo estático de tracción simple a medida que aumenta la carga, se estudia esta en relación con las deformaciones que produce. Estos gráficos, permiten deducir sus puntos y zonas características  revisten gran importancia, dicho gráfico se obtiene directamente de la máquina.

Un caso típico es el diagrama que nos presenta el gráfico de un acero dúctil indicado en la figura, en donde el eje de las ordenadas corresponde a las cargas y el de la abscisas al de las deformaciones longitudinales o alargamientos en milímetros. 1) Periodo elásticoSe observa en el diagrama que el comienzo, desde el punto O hasta el A, esta representado por una recta que nos pone de manifiesto la proporcionalidad entre los alargamientos y las cargas que lo producen (Ley de Hooke). Dentro de este periodo y proporcionalmente hasta el punto A, los aceros presentan la particularidad de que la barra retoma su longitud inicial al cesar la aplicación de la carga, por lo que recibe indistintamente el nombre de periodo de proporcionalidad o elástico.2) Zona de alargamiento seudoelástico Para el limite proporcional se presentan un pequeño tramo ligeramente curvo AB, que puede confundirse prácticamente con la recta inicial, en el que los alargamientos elásticos se les suma una muy pequeña deformación que presenta registro no lineal en el diagrama de ensayo. La deformación experimentada desde el limite proporcional al B no solo alcanza a valores muy largos, si no que fundamentalmente es recuperable en el tiempo, por lo que a este punto del diagrama se lo denomina limite elástico o aparente o superior de fluencia. 3) Zona de fluencia o escurrimiento

El punto B marca el inicio de oscilaciones o pequeños avances y retrocesos de la carga con relativa importante deformación permanente del material. Las oscilaciones en este periodo denotan que la fluencia no se produce simultanea mente en todo el material, por lo que las cargas se incrementan en forma alternada, fenómeno que se repite hasta el escurrimiento es total y nos permite distinguir los “limites superiores de fluencia”. El limite elástico aparente puede alcanzar valores de hasta el 10 al 15 % mayores que el limite final de fluencia. 4) Zona de alargamiento homogéneo en toda la probeta. Más allá del punto final de fluencia C, las cargas vuelven a incrementarse y los alargamientos se hacen más notables, es decir que ingresa en el período de las grandes deformaciones, las que son uniformes en todas las probetas hasta llegar a D, por disminuir, en igual valor en toda la longitud del material, la dimensión lineal transversal. El final de período de alargamiento homogéneo queda determinado por la carga máxima, a partir de la cual la deformación se localiza en una determinada zona de la probeta, provocando un estrechamiento de las secciones que la llevan a la rotura, al período DE se lo denomina de estricción. En la zona plástica se produce, por efecto de la deformación, un proceso de endurecimiento, conocido con el nombre de  “ acritud “, que hace que al alcanzar el esfuerzo la resistencia del metal, éste al deformarse adquiere más capacidad de carga, lo que se manifiesta en el gráfico hasta el punto D. 5) Zona de estricción En el período de estricción, la acritud, si bien subsiste, no puede compensar la rápida disminución de algunas secciones transversales, produciéndose un descenso de la carga hasta la fractura.  

PROBETAS PARA TRACCIONLas probetas para los ensayos de tracción pueden ser: industriales o calibradas; estas últimas, se emplean en experiencias más rigurosas y adoptan formas perfectamente cilíndricas o prismáticas, con extremos ensanchados, no solo para facilitar su sujeción en la máquina de ensayo, sino para asegurar la rotura dentro del largo calibrado de menor sección; en la cual se marcan los denominados   “Puntos fijos de referencia” a una distancia inicial preestablecida (lo), que permitirá después de la fractura, juntando los trozos, determinar la longitud final entre ellos (L).Estos hechos han motivado la normalización de la longitud inicial, estipulándose que dos o más ensayos pueden compararse en sus alargamientos, si las probetas son geométricamente semejantes, lo que se logra cuando lo es proporcional al diámetro o raíz cuadrada de la sección. O sea que los ensayos sobre probetas distintas resultan comparables si se cumple que la ley de semejanza:

                      El gráfico de la probeta de tracción a utilizar es según la norma IRAM

                       

MAQUINA DE ENSAYO La siguiente es una foto de la maquina utilizada para realizar el ensayo de tracción, en la cual vemos el dial que nos marca la cargas , el diagramador y el sistema donde se realiza el ensayo con la probeta colocada.  

 

MODO Y TIEMPO DE APLICACION DE LAS CARGASLa carga debe aplicarse de tal manera que el esfuerzo resulte uniformemente destruido sobre la sección transversal del material. Tratándose de ensayos estáticos el incremento de carga se efectúa en forma muy lenta, para evitar los efectos de las fuerzas de inercia, velocidad que se fija según las normas y materiales, adoptándose generalmente una variación de 0,1 Kgf/mm² y por segundo aproximadamente hasta alcanzar el limite de fluencia, a partir del cual puede llegarse como máximo a 50 Kgf/mm² por minuto.

Resulta de gran importancia la velocidad de la aplicación de la carga de ensayo, pues su incremento produce un retraso en la aparición de las deformaciones plásticas y un aumento de la resistencia del material. Si las cargas se aplican en forma extremadamente lentas se obtiene una disminución del limite de fluencia y un aumento de la resistencia, aunque a expensas de la ductilidad, que disminuye considerablemente.  

DETERMINACIONES A EFECTUAR EN UN ENSAYO DE TRACCION ESTATICOEl ensayo de tracción es el que mejor define las “propiedades mecánicas” de los metales sometidos a la acción de cargas estáticas. Estas propiedades quedan determinadas si se calcula la aptitud del material a resistir las cargas que le pueden ser aplicadas (propiedades de resistencia) y las deformaciones que experimente por la acción de éstas (propiedades de deformaciones). Propiedades Mecánicas De Resistencia: Del gráfico de ensayo pueden determinarse los valores de las cargas a los limites proporcionales y de fluencia y la que corresponde a la máxima, que permiten calcular las tensiones convencionales que fijan las propiedades de resistencia.Resistencia estática a la tracción

Tensión al límite inicial de fluencia:

Tensión al limite convencional 0,2

La determinación de los limites convencionales requiere el empleo de extensómetro o maquinas con registradores electrónicos.   Propiedades Mecánicas De Deformabilidad: Alargamiento De Rotura: si antes de comenzar las experiencias se marcan sobre la probeta, en una generatriz o recta, los puntos de referencia de acuerdo con la norma aplicada (Lo) después del ensayo, juntando los trozos, es factible medir la distancia que los separa (L), de modo que el “alargamiento total” resulta:

                                          Conocido este valor se puede determinar es “alargamiento de rotura” que no es mas que el unitario convencional correspondiente a la factura, se lo indica con   %  en lugar de % como es establecido para cualquier otro punto de diagrama.

Estricción: como ya sabemos, una vez alcanzada la carga máxima se produce un estrangulamiento en una zona determinada de la probeta. Esta disminución de sección hace que se llegue a la rotura cuando la carga es inferior a la máxima aplicada, diferencia que se acrecienta con la ductilidad del material.

La estricción será, entonces la disminución relativa porcentual de la sección transversal de la rotura.

ENSAYO DE TRACCION SAE 1015Diámetro inicial de la probeta (Di) = 20 mm. La sección inicial es:

Longitud inicial (Li) = 200 mm. (Distancia entre puntos de referencias). Luego del ensayo, las dimensiones finales son: Diámetro final (Df) = 11,1 mm. La sección final es:

Longitud final (Lf) = L1 + L2 +L3 = 132,22 mm + 123,66 mm + 12,5 mm                                          Lf  = 268,38 mm Observación: Debido a que la probeta no rompió en su tercio medio debimos aplicar el método de la norma IRAM de tracción a saber:

a)     Se supone que la fractura se produce en el centro de la probeta, caso ideal, o en un punto muy próximo a él.

b)    Se acepta que el material experimenta iguales deformaciones a ambos lados de la probeta.Como es necesario medir 10 divisiones de cada lado de la rotura en nuestro caso solo pudimos medir 9 divisiones, la división restante se tomó del otro lado de la rotura. Del diagrama se obtienen los distintos valores de carga.(Afectándolo de la escala de carga del diagrama = 125 Kgf/mm)(Pp) Carga al límite proporcional = 62 mm  x Escala de carga Pp = 62 mm x 125 Kgf/mm = 7750 Kgf. (Pf ) Carga de fluencia  = 61 mm x 125 Kgf/mm = 7625 Kgf (Pmax) Carga máxima = 101,5 mm x 125 Kgf/mm = 12687,5 Kgf (Lp) Alargamiento en el período proporcional = 11 mm x Escala de Lp = Lp = 11 mm x 0,016 mm/mm = 0,176 mm CALCULO DE TENSIONES

El diagrama de ensayo es el siguiente:

Al finalizar el periodo elástico se suspendió el uso del extensómetro (debido a que su alcance no es tan grande y también que solo es de importancia medir la deformación el periodo proporcional o elástico y no la deformación total que la realizamos al final al medir la probeta). El diagrama sigue en función del tiempo a razón de 5 mm/min. .

ENSAYO DE TRACCION SAE 1045 Di = 20 mm

Li = 200 mm Luego del ensayos las dimensiones son: Df = 14,12 mm

Lf = 241,38 mm Pp = 110 mm x 125 Kgf/mm = 13750 Kgf Pf  = 106,5 mm x 125 Kgf/mm = 13312,5 Kgf Pmax = 172 mm x 125 Kgf/mm = 21500 Kgf Lp = 21,5 mm x 0,016 mm/mm = 0,344 mm   CALCULO DE TENSIONES

El siguiente esquema es el diagrama del ensayo SAE 1045 (se debe tener también en cuenta las observaciones hechas para el diagrama del SAE 1015)

La foto muestra claramente las diferencias en las deformaciones causadas por el ensayo: el SAE 1015 con mayor alargamiento y mayor estricción que el SAE 1045 que vemos abajo en la foto 

F L E X I O N 

El esfuerzo de flexión puro o simple 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.Sin embargo y por comodidad para realizar el ensayo de los distintos materiales bajo la acción de este esfuerzo se emplea generalmente a las mismas comportándose como vigas simplemente apoyadas, con la carga concentrada en un punto medio (flexión practica u ordinaria).En estas condiciones además de producirse el momento de flexión requerido, se superpone al un esfuerzo cortante, cuya influencia en el calculo de la resistencia del material varia con la distancia entre apoyos, debido a que mientras los momentos flectores aumentan o disminuyen con esta, los esfuerzos cortantes se mantienen constantes, como puede comprobarse fácilmente en la figura, 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 se han normalizado convenientemente 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”.

 

RESISTENCIA A LA FLEXIONLa formula de la  tensión será, como ya sabemos la relación del esfuerzo con la sección donde actúa. El momento flector máximo en la viga es igual:

Mfmax  = P . ( L – d ) / 4Siendo P la carga total, L la distancia entre apoyos y d la separación entre las cargas (ver dibujo en la pag. Siguiente)Si el modulo resistente Wz es:

Wz  = . d³ /32 

Remplazando en la formula que determina la tensión y considerando el momento flector máximo, obtenemos la “resistencia estática o modulo de rotura de la flexión”.

 FLECHA - MODULO DE ELASTICIDAD. Cuando el material es sometido a la acción de la carga, la línea neutra se ira flexionando denominándose FLECHA a la distancia vertical entre la posición inicial de dicha línea y las posiciones instantáneas que tome, medidas en el lugar de mayor flexionamiento de la probeta.     PROBETAS.Teniendo en cuenta las grandes variaciones que pueden presentar las fundiciones en las distintas coladas y según sus elementos componentes, las normas indican la forma correcta de extraer las muestras que se utilizarán en las experiencias; es así que tenemos las fundidas con la pieza; para lo cual se preparan los, lo que estarán dispuesto en condiciones tales que se evite la acumulación de impurezas en ellos y que la solidificación se realice en idénticas condiciones que la de toda la masa metálica.  

CONDICIONES DE ENSAYOS.

Ya hemos dicho que el ensayo de flexión en metales se realiza en aquellos frágiles y muy especialmente en las fundiciones en las que, si bien no resulta el que define mejor sus propiedades mecánicas, se justifica teniendo en cuenta que las mismas se encuentran sometidas, en muchos de sus usos, a esfuerzos similares, pudiendo reemplazar en esos casos al ensayo primario de tracción.El valor de las flechas en los ensayos de verificación, suele ser un requisito a satisfacer indicándose, de acuerdo al empleo del material una máxima o mínima según que se desee su comportamiento como “flexible “ o frágil. 

ENSAYO DE FLEXIÓN LAS PROBETAS EN ESTUDIOMáquina universal de ensayo MTS.Dimensiones de las probetas: (según norma DIN 50110)Di = 13 mm L = 300 mm Luz entre apoyos = 260 mm Diámetro de los rodillos de carga y apoyo = 25,4 mm (1”)

Tensión a la flexión ( F) = Momento flector(Mf) / Módulo Resistente(Wz)El valor del módulo resistente para ambas probetas:

 

Determinaciones para acero SAE 1015Pp =   23 mm  x  Esc. de carga  =  23 mm  x  5,4 Kgf/mm  =  124,2 KgfMFp (Momento flector al límite elástico):  

Fp = Tensión de flexión al límite proporcional

fe (flecha al límite elástico) = 16 mm . Escala de flechafe = 16mm. 0,146 mm/mm = 2,336 mm

Observación :debido a que el material no rompe sometido a flexión (el ensayo se transforma en plegado) se suspendió el ensayo con una flecha = 34,31 mm en plena deformación plástica. En ese instante la carga era 156,6 kgf.         

Determinaciones para acero SAE 1045Pp =   30,2 mm  x  Esc. de carga  =  30,2 mm  x  5,4 Kgf/mm  =  163,08 KgfMFp (Momento flector al límite elástico)

Fp = Tensión de flexión al límite proporcional:

fe (flecha al límite elástico) fe = 25mm . 0,146 mm/mm = 3,65 mmObservación: Sucede lo mismo que en el caso anterior. Al suspender el ensayo para una flecha de 34,31 mm (igual que el caso anterior) la carga fue igual de 270 Kgf.  El siguiente es el diagrama de los dos ensayos de flexión, como vemos en el, el acero SAE 1045 presenta el limite a deformaciones elásticas a una carga mayor y también al suspender el ensayo se nota claramente que a igual deformación, o sea flecha, la carga es más elevada que el del SAE 1015.

 

Probeta sometida a flexión

P L E G A D O 

El plegado a temperatura ambiente es un ensayo tecnológico derivado del de flexión, se realiza para determinar la ductilidad de los materiales metálicos (de él no se obtiene ningún valor específico). Este ensayo es solicitado por las especificaciones en la recepción de aceros en barras y perfiles, para la comprobación de la tenacidad de los mismos y después de haber sido sometido al tratamiento térmico de recocido. El material se coloca entre los soportes cilíndricos, aplicando la carga lentamente hasta obtener el ángulo de plegado especificado para el mismo, o bien cuando se observa la aparición de las primeras fisuras en la cara inferior o la sometida a tracción.

  La luz entre los bordes de los apoyos se toma aproximadamente igual al diámetro del elemento transmisor del esfuerzo, más tres veces el espesor del material.                                                         L = d  +  3 D Generalmente el plegado se obtiene en dos etapas y se realiza con un ángulo de 180º. 1º- Colocando el material en el dispositivo anterior se efectúa el flexionamiento hasta un determinado ángulo. 2º-Se termina la operación con los platos de compresión hasta lograr un ángulo de 180º. El ensayo dará resultado satisfactorio o, en otras palabras, el material será aceptado “ si no presenta sobre su parte estirada grietas o resquebrajaduras a simple vista.  

ENSAYO DE PLEGADO

Se realiza sobre las probetas que fueron sometidas a flexión. Para el calculo de la longitud de los rodillos de apoyo se utiliza la siguiente ecuación: L  =  D  +  3.d Siendo “D” el diámetro del rodillo que aplica la carga y “d”, el diámetro de la probeta. L  =  76,2 mm  +  3,13 mm  =  115,2 mm En la máquina de ensayo Baldwin (ver foto 3) se realizó la primera etapa de plegado hasta un ángulo superior a 90º y luego sometido a una prensa y se terminó en un plegado con forma de “U”. Al observar ambas probetas vemos que no presenta en su parte estirada grietas y tampoco resquebrajaduras a simple vista, o sea que ambos materiales (SAE 1015 y  SAE 1045) son aptos para hacer plegados.  

 

Probeta sometida a plegado  (Máquina Baldwin -

Laboratorio EET 466 -Rosario - Santa Fe)

 

Probeta SAE 1015 y SAE 1045 Plegadas en U

 

C O R T E 

El ensayo de corte tiene poca aplicación práctica, pues no permite deducir de él algunas de las características mecánicas de importancia del material que se ensaya; es por ello que rara vez lo solicitan las especificaciones.  El esfuerzo de corte no puede ser obtenido prácticamente como un esfuerzo puro o simple, pues va generalmente acompañado por otro de flexión, cuyo valor variará según el procedimiento a seguir pues es indudable que si se considera una sola cuchilla su importancia decrecerá, aunque también en este caso tendrá una pequeña influencia en el valor obtenido  la dureza del filo y la penetración en cuña del mismo. Sin embargo prácticamente se calcula el esfuerzo de corte como si se tratara de un esfuerzo simple, aplicando la formula de tensión ya conocida, debido a que éste predomina tomando valores de tal magnitud que permiten despreciar los efectos secundarios.

El dispositivo utilizado es el dibujo anterior, dado que la pieza cortante va haciendo el corte de la probeta en dos secciones por lo que la tensión de corte es       :

ENSAYO DE CORTE Las dos probetas son de igual diámetro igual a 15 mm

Para el acero SAE 1015 Pmax = 91 mm . 125 kgf/mm = 11375 kgf  

  Acero SAE 1045 Pmax = 131.5 mm . 125 kgf/mm = 16437.5 kgf  

 

Dispositivo de ensayo de corte (Maquina Baldwin – Laboratorio EET 466 -Rosario

Probetas ensayadas a Corte

- Santa Fe)

 

C H O Q U E 

En elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de las cargas, las que pueden aparecer circunstancialmente, su falla se produce generalmente, al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad, aun en aquellos metales considerados como dúctiles. En estos casos es conveniente analizar el comportamiento del material en experiencias de choque o impacto. El ensayo de tracción estático nos da valores correctos  de la ductilidad de un metal, no resulta preciso para determinar su grado de tenacidad o fragilidad, en condiciones variables de trabajo. Los ensayos de choque determinan, pues, la fragilidad o capacidad de un material de absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario para introducir la fractura de la probeta de un solo choque, el que se refiere a la unidad de área, para obtener lo que se denomina resiliencia. Este nuevo concepto, tampoco nos ofrece una propiedad definida del material, sino que constituye un índice comparativo de su plasticidad, con respecto a las obtenidas en otros ensayos realizados en idénticas condiciones, por lo que se debe tener muy en cuenta los distintos factores que inciden sobre ella. Resumiendo diremos que el objeto del ensayo de choque es el de comprobar si una maquina o estructura fallará por fragilidad bajo las condiciones que le impone su empleo, muy especialmente cuando las piezas experimentan concentración de tensiones, por cambios bruscos de sección, maquinados incorrectos, fileteados, etcétera, o bien verificar el correcto tratamiento térmico del material ensayado.  

MÉTODO DE ENSAYO.Los ensayos dinámicos de choque se realizan generalmente en máquinas denominadas péndulos o martillo pendulares, en las que se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura determinada, realizándose la experiencia en la mayoría de los casos, de dos maneras distintas el método Izod y el método Charpy. En ambos casos la rotura se produce por flexionamiento de la probeta, por lo que se los denomina flexión por choque.  

FLEXIÓN POR CHOQUE SOBRE BARRAS SIMPLEMENTE APOYADAS (MÉTODO CHARPY)Con la finalidad de que el material esté actuando en las más severas condiciones, el método Charpy utiliza probetas ensayadas (estado triaxial de tensiones) y velocidades de deformación de 4,5 a 7m/s, entorno recomendado por las normas el de 5 a 5,5m/s. Las probetas se colocan, como muestra la figura siguiente, simplemente apoyadas sobre la mesa de máquina y en forma tal que la entalladura se encuentra del lado opuesto al que va a recibir el impacto. En la misma figura se puede observar la correcta posición del material como así también la forma y dimensiones de los apoyos y de la pena del martillo pendular.

Probeta CHARPY lista para ensayar

Las I.R.A.M aconsejan realizar el ensayo de choque por el método Charpy, con el empleo de probetas entalladas aprobadas por I.S.O (Internacional Standard Organización, ex I.S.A) que tienen las dimensiones indicadas en la figura.

La resiliencia al choque resulta, según este método, el trabajo gastado por unidad de sección transversal para romper al material de un solo golpe:

Resistencia =K = Ao/S (Kgf/cm² o Joule/cm²)

FLEXION POR CHOQUE DE BARRAS EMPOTRADAS (METODO IZOD)

Probeta IZOD lista para ensayar

En el método Izod la probeta se coloca en voladizo y en posición vertical, siendo asegurada por la mesa de apoyo de modo tal que la entalladura quede en el plano de las mordazas; en estas condiciones el extremo del martillo golpea al material a 22mm de las mismas, como indica la figura anterior, pudiendo realizarse más de un ensayo sobre la misma probeta, también puede construirse de sección circular, que presenta la ventaja de que permite determinar la energía de rotura sobre caras o generatrices opuestas y a diferentes profundidades de la muestra.  

MAQUINA DE ENSAYO - PENDULO SATECEl péndulo Baldwin de la casa SATEC Systems (USA permite realizar ensayos de flexión por choque según los métodos de Charpy e Izod y tracción por choque, con dos posiciones del martillo para alcances de 325,4 Joule (33,81 Kgfm) o bien 135,6 Joule (13,825 Kgfm), según los métodos.La apreciación de la lectura de energía absorbida por la probeta resulta de 2 Joule/div. y de 1Kgfm/div, según el sistema de medida. El martillo se sujeta en la posición de ensayo, según la energía requerida, mediante una palanca que al destrabarse lo deja en libertar al impacto. La misma palanca permite accionar un sistema de freno a cinta para detener al golpeador una vez alcanzada la rotura. La energía de ensayo será la necesaria para producir la fractura del material en un solo golpe y quedará indicada, en el cuadrante del péndulo, por una aguja arrastrada por otra fija solidaria al eje del golpeador.

ENSAYO DE CHOQUE DE LAS PROBETAS EN ESTUDIO En cada uno de los ensayos se obtendrá el valor de energía directamente de la máquina en Kgm (A), Para el método Charpy calcularemos la resilencia (K) que es el trabajo por unidad de sección transversal.   Ensayos en probetas SAE 1015 Método Charpy: Probeta 1 entalla en V => A  =  7,15 Kgm                                           K  =  A/S => k  =  7,15 Kgm/0,8 cm²  =  8,94 Kgm/cm²   Probeta 2 entalla ojo de cerradura => A  =  8,2 Kgm                                           K  =   8,2 Kgm/0,5 cm²  =  16,4 Kgm/cm²   Método IZOD: Probeta 3 => A  =  16 Kgm Probeta 4 => En ensayo fracasó.  

Ensayos en probetas SAE 1045 Método Charpy: Probeta 1 entalla en V => A  =  2 Kgm                                   K  =  2 Kgm/0,8 cm²  =  2,5 Kgm/cm²   Probeta 2 ojo de cerradura => A  =  3,4 Kgm                                   K  =  3,4 Kgm/0,5 cm²  =  6,8 Kgm/cm²   Método IZOD: Probeta 3 => A  =  2 Kgm Probeta 4 => A  =  2 kgm

D U R E Z A 

Por medio de este método obtenemos características mecánicas importantes en forma rápida y no destructiva y permiten realizar en piezas ya elaboradas.

Definición :"La mayor o menor resistencia que un cuerpo opone a ser rayado o penetrado por otro" o "la mayor o menor dureza de un cuerpo respecto a otro tomado como elemento de comparación".

MÉTODO DE DUREZA  *Ensayo estático de penetración.

*Ensayo de rebote.

*Ensayo de rayado.

*Ensayo de abrasión y erosión.

ENSAYO DE PENETRACIÓN: Define la dureza como la resistencia a la penetración o resistencia a la deformación plástica que opone un material a ser presionado por un penetrador determinado y bajo la acción de cargas preestablecidas.

DUREZA BRINELL. Consiste en comprimir sobre la superficie del material a ensayar una bolilla de acero muy duro durante un cierto tiempo (t) produciendo una impresión con forma a casquete esférico.

Resulta de dividir la carga aplicada por la superficie dada del casquete.

Constante de ensayo: la resistencia de penetración varia con la solicitación y el penetrador => la dureza estará en función de la carga de ensayo y el diámetro de la bolilla.

P / D² = cte.

PENETRADORES:Bolilla de acero diámetro 15; 5; 2,5; 2; 1 mm.

de acero hasta 450HB, de carburos (tungsteno) hasta 630 Hb

*El tiempo de aplicación Aceros =>15 seg. , en metales blandos =>30seg.

(no debe producirse efectos dinámicos)

*Cargas empleadas: 3000kgf - 1500kgf - 500kgf

DUREZA ROCKWELLSe calcula la dureza en base a la profundidad de penetración y la carga total no se aplica en forma continua. Hay una carga inicial y otra adicional (varia según las condiciones de ensayo).

El valor se obtiene en directa del dial del indicador. La dureza esta dada por el incremento de penetración debido a la acción de la carga adicional y una vez suprimida ésta

La carga inicial es de 10 kgf y las adicionales son de 50, 90 y 140 Kgf y los penetradores utilizados son: bolilla de 1/16”, 1/8”, ¼” y ½” o cono de diamante. Las escalas más usadas son HRC (con cono de diamante y carga de 150Kgf) y HRB (con bolilla de 1/16” y carga de 100 kgf).

DUREZA VICKERSEs semejante a la de Brinell o sea su valor depende de la carga aplicada y de la superficie de la impronta o huella. Las cargas varían de 1 a 120 kgf y el penetrador es una punta de diamante con forma piramidal.

Las más comunes son 30 y 50 kgf (Hv30 y HV50)

ENSAYOS DE DUREZA DE LOS ACEROS DE NUESTTRA INVESTIGACIÓN

Dureza Brinell Se utiliza una carga de 3000 kgf aplicada con una bolilla de 10 mm de diámetro.

En el Acero SAE 1015:

D1 = 5,9 mm HB1 = 99 valor final:

D2 = 5,8 mm HB2 = 103 HB 10,3000,15 = 101

En el Acero SAE 1045:

D1 = 4,15 mm HB1 = 212 valor final:

D2 = 4,2 mm HB2 = 207 HB 10,3000,15 = 207

D3 = 4,2 mm HB3 = 207

Dureza ROCKWEEL Se aplica la escala tipo A, la cual utiliza como penetrador un cono de diamante, carga inicial de 10 kgf y carga adicional de 50 kgf.

En el acero SAE 1015:

HRA = 35

HRA = 35 Valor Final HRA = 35

HRA = 37

En el acero SAE 1015:

HRA = 50

HRA = 50 Valor Final HRA = 50

HRA = 52

Dureza VICKERS Se aplica una carga de 10 kgf.

En el acero SAE 1015:

Valor de la diagonal = 0,41 mm Hv10 = 110

En el acero SAE 1045:

Valor de la diagonal = 0,294 mm Hv10 = 215

Durómetro Brinell y Rockwell (Laboratorio de la E. E. T. Nº 466 - Rosario -Santa Fe)

Durómetro Vickers ((Laboratorio de la E. E. T. Nº 466 - Rosario -Santa Fe)

F A T I G A 

En el estudio de los materiales en servicio, como componentes de órganos de máquinas o estructuras, debe tenerse en cuenta que las solicitaciones predominantes a que generalmente están sometidos no resultan estáticas ni cuasi estáticas, muy por lo contrario en la mayoría de los casos se encuentran afectados a cambios de tensiones, ya sean de tracción, compresión, flexión o torsión, que se repiten sistemáticamente y que producen la rotura del material para valores de la misma considerablemente menores que las calculadas en ensayos estáticos. Este tipo de rotura que necesariamente se produce en el tiempo, se denomina de fatiga aunque es común

identificarla como roturas por tensiones repetidas, tensiones que pueden actuar individualmente o combinadas.

CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE FATIGA

En general los ensayos de fatiga se clasifican por el espectro de carga- tiempo, pudiendo presentarse como:

- Ensayos de fatiga de amplitud constante.

- Ensayos de fatiga de amplitud variable.

Ensayos de fatiga de amplitud constante.

Los ensayos de amplitud constante evalúan el comportamiento a la fatiga mediante ciclos predeterminados de carga o deformación, generalmente senoidales o triangulares, de amplitud y frecuencia constantes. Son de ampliación en ensayos de bajo como de alto número de ciclos, ponderan la capacidad de supervivencia o vida a la fatiga por el número de ciclos hasta la rotura (inicio y propagación de la falla) y la resistencia a la fatiga por la amplitud de la tensión para un número de ciclos de rotura predeterminado. Es usual denominar como resistencia a la fatiga a la máxima tensión bajo la cual el material no rompe o aquella que corresponde a un número preestablecido de ciclos según los metales o aleaciones.

A este respecto la norma ASTM E define como limite de fatiga a la tensión que corresponde a un número muy elevado de ciclos.

Ensayo de fatiga de amplitud variable.

En fatiga, cuando la amplitud del ciclo es variable, se evalúa el efecto del daño acumulado debido a la variación de la amplitud del esfuerzo en el tiempo. Son ensayos de alto número de ciclos con control de carga, que según el espectro de carga elegido serán más o menos representativos de las condiciones de servicio.

FATIGA DE ALTO NUMERO DE CICLOS.

Los espectros carga - tiempo de los ensayos de amplitud constante surgen de semejar el ciclo de carga a funciones continuas simples, normalmente senoidales. En general cualquiera que resulte el ciclo del esfuerzo aplicado podrá considerárselo como resultante de uno constante o estático, igual al valor medio de la carga (m), y de otro variable de amplitud constante (a) senoidal puro.

Los parámetros que definen o identifican al ciclo, resultan:

Tensión media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . m = (1 + 2 ) / 2

Amplitud de tensión o alternancia . . . . . a = (1 - 2) / 2

Relación de amplitud o de tensiones. . . .R = 2 / 1

Según el dibujo anterior se denominan.

a) a y b) Alternados: Se generan cuando las tensiones cambian de signo alternativamente. El caso más común y simple, es aquel en que la tensión máxima positiva () es igual a la mínima (2), obteniéndose un ciclo denominado alternado simétrico, figura a.

a = 1 = -2 R = -1

Cuando las tensiones se presentan de distinto signo y valor, figura b, el ciclo será alternado asimétrico.

m < a 0 < R < -1c) Intermitentes: Los esfuerzos tienen siempre el mismo sentido y su ciclo va desde cero a un valor determinado, que puede ser positivo o negativo, para ciclos positivos se tiene; figura c :

m = a R = 0d) Pulsatorios: Tienen lugar cuando la tensión varía de un máximo a un mínimo, distinto de cero, dentro del mismo signo; figura d:

m > a R> 0

A los efectos de diferenciar los ciclos adoptaremos como positivas a las tensiones de tracción y negativas a las de compresión, fijándose para torsión un sentido arbitrario ya sea positivo o negativo. Cualquiera que resulte el ciclo adoptado la frecuencia deberá permanecer constante y sin entrar a analizar la influencia de las propiedades mecánicas, podemos subdividir los ensayos en función de su valor en:

Baja frecuencia f < 5 Hz

Media frecuencia 5 < f < 30 Hz

Alta frecuencia 30 < f < 150 Hz

Muy alta frecuencia f > 150 Hz

siendo los más utilizados los rangos de media y alta frecuencia, con el fin de disminuir los tiempos de ensayo.

ORIGEN DE LA ROTURA POR FATIGA EN LOS METALESAunque no se ha encontrado una repuesta total al fenómeno de rotura por fatiga, que podríamos llamar “prematura”, cuando se somete a un metal a tensiones cíclicas o vibratorias, y son varias las teorías que tienden a ello, se puede aceptar que la fractura por fatiga se debe a deformaciones plásticas de la estructura, en forma análoga (iguales planos y direcciones cristalográficas), que en los casos vistos para deformaciones monodireccionales producidas por cargas estáticas, a diferencia que bajo tensiones repetidas en algunos cristales se generan deformaciones residuales.

Estas bandas de deslizamiento, que aparecen aún bajo pequeñas cargas, se acrecientan con los ciclos, de manera que al llegar a la saturación de los granos afectados, la distorsión de la red provocará el inicio de la fisura.

Con más precisión podemos decir que las deformaciones de fatiga se engendran preferentemente en granos próximos a la superficie del metal, separados tan solo por algunos espacios atómicos, produciendo los efectos conocidos como extrusión e intrusión. En general y por el efecto de la intrusión la tracción acelera la propagación de la grieta, en cambio la compresión la retarda.

El inicio de la rotura por fatiga puede producirse, además que por los hechos explicados, por deficiencias en el material debidas a defectos estructurales (inclusiones, sopladuras, etc.) por discontinuidades de las superficies que provocan el efecto de forma (orificios, roscas, chaveteros, cambios de sección, maquinados incorrectos, etc.) y por el tratamiento o estado de las superficies (el endurecimiento mejora la resistencia en cambio la corrosión la disminuye considerablemente).

MAQUINA UNIVERSAL MTS SERVOHIDRAULICAEn nuestra investigación utilizaremos la máquina universal MTS, que es de accionamiento hidráulico servocontrolado o sistema realimentado, que le permite realizar no solo los ensayos estáticos standard sino también los dinámicos de fatiga, de duración (creep) y cubrir los nuevos estudios sobre fractomecánica y relajación de tensiones.

Un sistema como el descrito está básicamente constituido por una bomba, la servoválvula y el actuador (pistón) del circuito hidráulico, la unidad de medición y la de corrección de error, formando en conjunto un ciclo cerrado de operaciones.

En nuestro caso el ciclo se cierra a través de la probeta de ensayo.