Materiales propiedades y ensayos

BLOQUE TEMÁTICO MATERIALES
TEMA Nº 8: PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.
Y ENSAYOS APLICADOS.
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0. Introducción:
Para elegir el material más adecuado para una determinada aplicación,
es necesario conocer las propiedades del mismo. Las más importantes a la
hora de decantarse por la elección de uno u otro material son la plasticidad,
la cohesión y la elasticidad, todas ellas propiedades mecánicas. Por eso en
nuestro estudio de las propiedades de los materiales, daremos más
importancia a estas últimas. Estudiaremos también una serie de propiedades
generales como la densidad, las propiedades térmicas y eléctricas.
Para poder valorar las propiedades es necesario realizar ensayos. Así la
propiedad de la cohesión se valora mediante ensayos de dureza y la
elasticidad y plasticidad gracias al ensayo de tracción.
Por eso en este tema estudiaremos las propiedades de los materiales y
las técnicas de ensayo y medida de las mismas.
1. Clases de esfuerzos:
Para elegir el material más adecuado para una determinada aplicación,
es necesario conocer las propiedades del mismo. Las más importantes a la
hora de decantarse por la elección de uno u otro material son la plasticidad,
la cohesión y la elasticidad, todas ellas propiedades mecánicas.

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2. Propiedades de los materiales:
Las propiedades de los materiales se clasifican en propiedades
mecánicas, físicas, químicas y tecnológicas.
Dentro de las propiedades físicas se estudian las propiedades
mecánicas, térmicas y eléctricas, además de otras propiedades como la
densidad.
Las propiedades químicas más representativas son la resistencia a la
oxidación y a la corrosión.
Las propiedades tecnológicas más comunes son la soldabilidad y la
fusibilidad.
De todas ellas centraremos nuestro estudio principalmente en las
propiedades mecánicas que son las más interesantes a la hora de ser
evaluadas mediante ensayos.
Para poder valorar las propiedades es necesario realizar ensayos. Por
ejemplo propiedad de la cohesión se valora mediante ensayos de dureza y la
elasticidad y plasticidad por el ensayo de tracción.

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Propiedades mecánicas resistencia que ofrecen los materiales al ser
sometidos a determinados esfuerzos exteriores
Cohesión:
La resistencia que oponen
las moléculas de los
materiales a separarse
unas de otras.
Elasticidad:
Es la capacidad que
tienen los materiales para
recuperar su forma
primitiva cuando cesa el
esfuerzo al que están
sometidos y que le
produce la deformación.
Materiales elásticos: la
goma, el caucho, el acero
y el cobre en alambre.
Plasticidad:
Es la capacidad que
tienen los materiales para
adquirir deformaciones
permanentes (sin
recuperar su forma
primitiva), cuando son
deformados. Materiales
plásticos: el plomo y el
aluminio.
Dureza:
Resistencia que presenta
un material al se rayado o
penetrado, mediante una
fuerza de acción lenta.
Materiales duros: cromo,
titanio, diamante
Materiales blandos:
aluminio y estaño.
Resistencia a la rotura:
Capacidad de un material
para soportar una carga
externa
Tenacidad:
Resistencia que ofrece un
cuerpo a esfuerzos lentos
de deformación,
absorbiendo por ello una
determinada cantidad de
energía. Materiales
tenaces: la plata y el oro
Fragilidad:
Propiedad que tienen los
materiales para
romperse; es la propiedad
opuesta a la tenacidad.
Materiales frágiles: la
fundición, la cerámica, el
vidrio y algunos aceros
aleados
Resiliencia:
Capacidad de un
material de absorber
energía en la zona
elástica al someterlo a
un esfuerzo de rotura.
Fluencia:
Es el límite de un material
para pasar de la zona en
la que es elástico a la
zona en que es plástica
Fatiga:
Deformación de un
material sometido a
cargas variables,
inferiores a la de rotura,
cuando actúan un cierto
tiempo o un número de
veces. Materiales
sometido a fatiga: vías de
tren, puentes.

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Propiedades físicas: no afectan a las estructuras y composición de un material
Densidad o Peso
específico:
Es cociente entre el peso
de un cuerpo y su volumen
Calor específico:
Es cantidad de calor que
hay que suministrar a la
unidad de masa de un
material para elevar su
temperatura un grado.
Cuanto mayor es el calor
específico de las
sustancias, más energía
calorífica se necesita
para incrementar la
temperatura
Temperatura o calor de
fusión:
Es la temperatura a la
cual la materia pasa de
estado sólido a estado
líquido, se funde.
Coeficiente de
dilatación lineal:
Es el cociente que mide el
cambio de longitud que se
produce cuando un cuerpo
sólido experimenta un
cambio de temperatura
Punto de
solidificación:
Proceso que consiste en el
cambio de estado de la
materia de líquido a sólido
Es el proceso inverso a la
fusión.
Conductividad
eléctrica:
Capacidad de un material
de dejar pasar la
corriente eléctrica. Los
metales son buenos
conductores porque
tienen una estructura con
muchos electrones con
vínculos débiles y esto
permite su movimiento
Conductividad
térmica:
Es una propiedad de los
materiales que valora la
capacidad de transmitir
el calor a través de ellos.
Es elevada en metales y
muy baja en algunos
materiales como la fibra
de vidrio, que por ello se
denominan aislantes
térmicos
Propiedades químicas: afectan a las estructuras y composición de un material
Oxidación:
Proceso mediante el cual
hay pérdida aparente de
electrones de un átomo,
etcétera. Es
Reducción:
Es el proceso mediante el
cual los átomos o iones
adquieren electrones
Corrosión:
Es la oxidación lenta:
ejemplo la corrosión de
los metales, la
putrefacción de la
madera

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Propiedades tecnológicas: indican la mayor o menor disposición de un
material a poder ser trabajado de diferente manera.
Maleabilidad:
Es la propiedad que
tienen los materiales a
ser transformados en
láminas como
consecuencia de un
esfuerzo de compresión.
Ejemplo: aluminio, plata,
plomo.
Ductilidad:
Un material bajo la acción
de una fuerza puede
deformarse
sosteniblemente sin
romperse permitiendo
obtener alambres o hilos
Acritud: Facilidad que
tiene un material para
deformarlo en frío
aumentando así su dureza
y fragilidad
Fusibilidad:
Facilidad con que un
material puede fundirse.
Materiales como la
soldadura requieren un
bajo punto de fusión
Forjabilidad:
Propiedad mediante la
cual puede modificarse la
forma de un metal a
través de la temperatura
Soldabilidad:
Es la aptitud que tiene un
metal o aleación para
formar uniones soldadas
Templabilidad:
Es la capacidad de una
aleación para
transformarse en
martensita durante un
determinado temple. Es
una medida de la
profundidad a la cual una
aleación específica puede
endurecerse
Maquinabilidad:
Facilidad de un cuerpo a
dejarse cortar por
arranque de viruta.
Materiales fundición y
aceros dulces
3. Técnicas de medida y ensayo de propiedades: los ensayos son
procedimientos normalizados con los que miden las propiedades de los
materiales. Estos intentan simular las condiciones de trabajo para
determinar la idoneidad del material o pieza en cuestión. Debido a la
diversidad de propiedades y a las diferentes formas de determinarlas, es
necesario realizar una clasificación de los ensayos.

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3.1. Clasificación de los ensayos: los ensayos se pueden clasificar en:
Según la rigurosidad del ensayo
Ensayos científicos: son ensayos que se realizan en laboratorios
especializados y nos permiten obtener valores precisos y
reproducibles de las propiedades ensayadas, ya que las condiciones
a las que se somete el material están convenientemente
normalizadas.
Ensayos tecnológicos: se hacen en fábrica e indican calidades de
material.
Según la naturaleza del ensayo:
Ensayos químicos: permiten conocer la composición cualitativa y
cuantitativa del material, así como la naturaleza del enlace químico
o la estabilidad del material ante la presencia de compuestos
corrosivos.
Ensayos metalográficos: con el uso del microscopio nos permiten
conocer la estructura interna del material.
Ensayos físicos: tienen por objeto cuantificar ciertas
propiedades físicas como la densidad, la conductividad térmica y
eléctrica.
Ensayos mecánicos: con ellos se determina la resistencia del
material a ciertos esfuerzos. Los ensayos de este tipo más
importantes son: dureza, fatiga, resiliencia, tracción, etc.
Según la utilidad de la pieza después de ser sometida al ensayo:
Ensayos destructivos: son aquellos en los que se producen daño o
rotura de la pieza sometida al ensayo.
No destructivos: se analizan los defectos del material mediante
métodos de observación directa empleando rayos X, ultrasonidos,
campos magnéticos, microscopios, etc.
Según la velocidad de aplicación de los esfuerzos:
Ensayos estáticos: son aquellos en los que la velocidad de
aplicación de la fuerza no influye en el resultado. Un ejemplo de
este tipo es el ensayo de tracción.
Ensayos dinámicos: en ellos, la velocidad de aplicación de las
fuerzas forma un papel importante en el ensayo. Un ejemplo es el
ensayo de dureza al rayado.

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3.2. Ensayos mecánicos
3.2.1. Ensayos de dureza: entre los ensayos de dureza se distingue
los ensayos de dureza al rayado que son dinámicos, y los ensayos de dureza
a la penetración que son estáticos. A continuación se estudian ambos.
3.2.1.1. Ensayos de dureza al rayado (dinámicos): el más conocido
es el método Martens que consiste en medir el surco que deja una punta de
diamante en forma piramidal con dimensiones normalizadas a la que
aplicamos una carga constante y que se desplaza sobre la superficie del
metal.
3.2.1.2. Ensayos de dureza a la penetración (estáticos): se trata
de averiguar la dureza de un material por la huella que deja un penetrador al
que le aplicamos un peso constante, el cual se empuja contra la superficie
del material cuya dureza se quiere determinar, con una fuerza determinada,
durante un tiempo fijo. La velocidad de aplicación de la carga debe ser lenta
para que no ejerza influencia en la medida.
El valor de la dureza se obtiene dividiendo la fuerza aplicada al
penetrador “F” entre la superficie de la huella que esté deja sobre el
material, la cual, para una misma fuerza de empuje, será tanto menor
cuando mayor sea la dureza correspondiente. Los más empleados para los
metales son:
El método Brinell (HB) (UNE 7-422-85).
El método Vickers (HV) (UNE 7-423-84).
El método Rockwell (HRC o HRB) (UNE 7-424-89).
El método Shore.
El método Poldi.
En los dos primeros la dureza se determina en función de la
superficie de la huella, mientras que para determinar la dureza por el
método Rockwell lo que nos interesa es la profundidad de la huella. Shore y
Poldi se utilizan menos
Método Brinell: Emplea como penetrador una bola de acero templado.
Al comprimir la bola contra la superficie del material, con una carga
determinada, se produce una huella en forma de casquete esférico. A
continuación se representa un esquema gráfico del ensayo. La dureza Brinell
queda determinada por:

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Expresión
normalizada:
110 HB 5 250 30
 110: Nº de
dureza.
 HB: Dureza
Brinell.
 5: Diámetro de
la bola.
 250: Carga.
 30: Tiempo de
ensayo.
 
   
 22
22
2
222
2
2222
2
2
2
;
dDDD
dDDD
fRA
DKF
dDDD
F
mm
Kg
HB
fDA
A
F
HB























Donde D es el diámetro del penetrador en mm, f la profundidad de la
huella en mm, d el diámetro de la huella en mm, F la carga en Kgf, K una
constante de proporcionalidad y HB la dureza Brinell en Kgf/mm2
.
Un inconveniente de este método es que no permite medir la dureza
de los aceros templados porque se deforma el penetrador. Además si
aplicamos el ensayo para espesores menores que el diámetro de la bola, se
deforma el material y el resultado es erróneo, luego como norma general el
diámetro de la huella estará comprendido entre:
24 DdD 
Si tomamos su valor medio, tenemos que:
2
375,0 Dd 
No debe usarse para medir la dureza sobre superficies curvas.
Método Vickers: este método se emplea para durezas superiores a
400HB. El método es igual al caso anterior, con la salvedad de que el
penetrador es una pirámide regular de base cuadrada cuyas caras forman un
ángulo de 136º. A continuación se incluye un esquema gráfico del ensayo. La
dureza Vickers queda determinada por la siguiente expresión:
2
854,1
21
22
dd
d
d
F
mm
Kg
HV







 Expresión normalizada:
720 HV 30
 720: Nº de dureza.
 HV: Dureza Vickers.
 30: Fuerza 30 Kgf.
Donde d es la diagonal de la huella en mm, F la carga en Kgf, y HV la dureza
Vickers en Kgf/mm2
.
136º
d

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Método Rockwell: el penetrador empleado depende del material a
ensayar; para los materiales blandos empleamos una bola de acero y para los
duros un cono de diamante de 120º de ángulo, denominándose el ensayo
según el penetrador HRB y HRC. A continuación se representa un esquema
gráfico del ensayo.
Forma de realizar el
ensayo:
1º Se aplica una precarga de 10 kgf durante un tiempo
determinado. La profundidad de la huella vale ho.
2º Después en función de la dureza del material se añade la carga
adicional, 90 kgf(HRB) y 140 HRC y se mantiene durante 5 segundos.
La profundidad de la huella alcanza el valor h1.
3º Al retirar la carga adicional, el penetrador retrocede por
recuperación elástica del material. La huella adquiere una profundidad e=h1-
ho. La dureza Rockwell queda determinada por:
HRC = 100 – e; y HRB = 130 – e.
Como se puede observar en las expresiones anteriores la dureza
Rockwell no se expresa directamente en unidades de penetración, sino por
valor de diferencia respecto a dos números de referencia; esto es debido a
que la dureza de los materiales blandos es menor que la de los duros, y esto
no sucede así si lo expresamos en unidades e. Cada valor de la división del
medidor dividida corresponde a una penetración de 0.002mm; por lo tanto
las expresiones anteriores quedarían de la siguiente forma:
En el siguiente cuadro se resumen las características más
importantes de cada ensayo:
hoh1 e
1º
2º
3º
002.0
130)(
002.0
100)(
e
bolaHRB
e
conoHRC



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ENSAYO PENETRADOR ESQUEMA GRÁFICO FÓRMULA PARÁMETROS
Brinell (HB) (UNE 7-422-85).
110 HB 5 250 30
110 : Nº de dureza.
HB : Dureza Brinell.
5 : Diámetro de la bola en mm.
250: carga en kg.
30: tiempo del ensayo.
Consiste en comprimir el penetrador contra el
material, por medio de una carga y durante un
tiempo determinado.
Bola de acero
templado.
 
2
222
2
;
DKF
dDDD
F
mm
Kg
HB
fDA
A
F
HB











D: diámetro del penetrador en mm.
F: profundidad de la huella en mm.
d: diámetro de la huella en mm.
F: carga en Kgf.
K: constante de proporcionalidad.
HB: dureza Brinell en Kgf/mm2
.
Vickers (HV) (UNE 7-423-84).
720 : Nº de dureza.
HV : Dureza Vickers.
30: Fuerza en Kg.
Consiste en comprimir el penetrador contra el
material, por medio de una carga y durante un
tiempo determinado.
El penetrador es
un diamante
tallado en forma
de pirámide
regular de base
cuadrad, cuyas
caras laterales
forman un ángulo
de 136º.
2
854,1
21
22
dd
d
d
F
mm
Kg
HV







 d: diagonal de la huella en mm.
F: carga en Kgf.
HV: dureza Vickers en Kgf/mm2
.
Rockwell (HRC o HRB)
(UNE 7-424-89).
1º se aplica la carga de 10 Kg que provoca una
huella de profundidad ho.
2º se aplica una carga adicional de 60, 100 o 150
kg según el material, que provoca una huella de
profundidad h1.
3º se retira la carga adicional. El material se
recupera elásticamente, la profundidad de la
huella es ahora “e”.
HRB: Bola de
acero para los
materiales
blandos.
HRC: cono de
diamante de 120º
para los
materiales duros.
ho: profundidad de la huella con la
carga inicial en mm.
h1: profundidad de la huella con la
carga adicional en mm.
e: profundidad de la huella en mm.
D
d
f
F
F
136º
d
hoh1 e
1º
2º
3º
F F + F ad
F

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σ (MPa)
εx10-4
50
100
150
200
250
10 20 30 40
P
E
F
R
U
3.2.2. Ensayo de tracción:
Una probeta con formas y
dimensiones normalizadas según el
material, es sometida a un
esfuerzo de tracción “F” en la
dirección de su eje por una máquina
que registra el esfuerzo aplicado y
el alargamiento producido por la
probeta hasta que esta se rompe.
Para que el resultado del ensayo
dependa lo menos posible de las
dimensiones de la probeta y que
por tanto resulten comparables los
ensayos realizados con probetas
distintas, se utiliza el diagrama
tensión-deformación.
Diagrama tensión-deformación: en el eje de abscisas representamos el
alargamiento unitario que es en un instante del ensayo el cociente entre el
alargamiento experimentado y su longitud inicial; y en el eje de ordenadas la
tensión en N/m2
que es el cociente entre la fuerza y el área de la probeta.
  100%
2










lo
lol
Pa
m
N
So
F


A continuación vamos a identificar los puntos significativos del diagrama,
indicando su significado y sus fases.
Puntos significativos (Resultados):
El punto P corresponde al límite de proporcionalidad “σP”, a partir de
este punto la tensión deja de ser proporcional a la deformación.
El punto E corresponde al límite elástico “σE”, a partir del cual el
material deja de comportarse elásticamente adquiriendo deformaciones
permanentes.
El punto F corresponde a la tensión de fluencia “σF”, la fluencia no se
da en todos los materiales y consiste en un aumento claro de la deformación
sin apenas esfuerzo.
El punto R corresponde al límite de rotura o resistencia a la tracción
“σR”, y es la máxima tensión que aguanta el material sin romperse.
DIAGRAMA TENSIÓN DEFORMACIÓN
CON ZONA DE FLUENCIA:
Muchos metales no presentan transición
gradual entre las zonas de
comportamiento elástico y plástico, sino
que una vez superado el límite de la zona
elástica existe una zona de fluencia en la
que la probeta experimenta una
deformación plástica considerable bajo
una tensión fluctuante.

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El punto U corresponde al limite de estricción “σU”, a partir de este
punto se hace efectiva la rotura de la probeta.
Zonas significativas:
Zona elástica (OE): el material presenta un comportamiento elástico,
se distinguen dos zonas distintas:
Zona elástica proporcional (OP), donde la tensión es proporcional a la
deformación, a esta constante de proporcionalidad se la denomina módulo de
Young, y se representa por la letra E. Se mide en N/m2
. Matemáticamente
se expresa así:
.; loll
lo
l
EP 

 
Donde ε es la deformación unitaria o alargamiento unitario, l el
alargamiento, lo la longitud inicial de la probeta y l la longitud final de la
misma.
Zona elástica no proporcional (PE), en ella las deformaciones no son
proporcionales a los esfuerzos.
Zona Plástica (EU): el material presenta un comportamiento plástico.
En este tramo se producen deformaciones permanentes.
Zona de deformación plástica (ER): la probeta se deforma hasta un
máximo que determina la tensión de rotura.
Zona de deformación plástica localizada: el alargamiento aumenta
aunque se disminuya el esfuerza, comienza a formarse el cuello de botella,
en el punto U se produce la rotura efectiva.
Tensiones máximas de trabajo. El ingeniero mecánico, a la hora de diseñar una
pieza o elemento de una estructura deberá asegurarse de que esta no trabaje en zonas de
deformación plástica y de que no este sobredimensionada. Para solucionarlo por norma se
establece una tensión máxima de trabajo o tensión admisible que resulta de dividir la
correspondiente tensión por un número “n” al que llamaremos coeficiente de seguridad.

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Datos para el ensayo de tracción:
Tensión unitaria σ o esfuerzo
So
F

F = Fuerza de tracción
S0= Sección constante
σ = N/m2
o Pascal
Alargamiento Incremento de longitud que se produce en la probeta
loll 
Alargamiento porcentual Alargamiento expresado en %
Alargamiento unitario Cociente entre el alargamiento y la longitud inicial
lo
l

Módulo de elasticidad o Módulo de Young Cociente entre la tensión
unitaria y el alargamiento unitario

e
E 
Coeficiente de estricción Cociente entre la disminución de sección que se
produce en la probeta y la sección inicial de la probeta
So
SoS 
3.2.3. Ensayo de compresión:
Similar a tracción pero con platos de compresión, las cubetas que se
usan son cúbicas y cilíndricas, se usan en ensayos de construcción
Se somete al material a una fuerza de compresión hasta que se
produce la rotura o aplastamiento. El material reacciona según su naturaleza:
 Materiales plásticos: aparecen grietas antes de romperse
 Materiales frágiles: se rompen sin deformación previa
 Materiales elásticos: se aplastan sin llegar a la rotura
Se denomina pandeo cuando se somete a u material demasiado largo
para su sección a compresión, se doblará antes de la compresión y se
romperá con cargas menores a las que les correspondería
El diagrama de compresión es similar al de tracción pero los datos
serán de signo contrario:
 Tensión unitaria de compresión
So
F

 Contracción total (Alargamiento) llol 
 Contracción unitaria (Alargamiento unitario)
So
S


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h1
h2
3.2.4. Ensayos de resiliencia o resistencia al impacto:
En estos ensayos las cargas aplicadas actúan instantáneamente para
medir la resistencia al choque o la tenacidad de los materiales. Los ensayos
de resistencia al impacto pueden ser de dos tipos:
Tracción por choque: consisten en realizar un ensayo de tracción en el que la
velocidad de aplicación de la fuerza sea alta. Ensayo muy poco frecuente.
Flexión por choque: el más usado es el ensayo de resiliencia más conocido
como ensayo de Charpy. En este ensayo se usa una probeta de sección
cuadrada provista de una entalladura en forma de U o V que es sometida a
una carga de ruptura por el lado opuesto a la entalla, por medio de un
martillo que se desplaza en una trayectoria circular.
La energía absorbida por la ruptura se llama resiliencia (KCV o KCU), según
sea la forma de la entalla, se calcula dividiendo la energía consumida por el
material (Ep) en la rotura entre la sección de la probeta por su parte
entallada (Ao) y se mide en J/m2
. A continuación se representa un esquema
gráfico del ensayo.
o
P
P
A
E
KCV
hhgmE



)21(
LongitudL
LgmEP

 )cos(cos 
Ep = energía potencial absorbida en la rotura en Julios.
m = masa del martillo en Kg.
h1= altura desde la que cae el martillo en m.
h2= altura que alcanza el martillo después de romper la probeta en m.
Ρ= resiliencia en j/m2
.
Ao= sección de la probeta por la parte de la entalladura en m2
.
En caso de no
poner la carga a
la altura
máxima

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3.3. Ensayos tecnológicos: Ensayo de plegado y el de embutición.
3.3.1. Ensayo de plegado. Para estudiar las características
de plasticidad de los metales. Para ello se doblan las probetas en
condiciones normalizadas y se observa si aparecen grietas en la parte
exterior de la curva.
3.3.2 Ensayo de embutición: Sirve para ver la aptitud de una
chapa para darle forma con un punzón. El ensayo consiste en
presionar una barra sobre la chapa hasta que aparezca la primera
grieta. El grado de embutición se comprueba midiendo la penetración
hasta que se produzca esa primera grieta.
3.4. Ensayos de defectos o no destructivos: Los principales son los
ensayos magnéticos, por rayos X, ultrasonidos y eléctricos.
3.4.1. Ensayos magnéticos: se efectúan empleando polvo de
hierro sobre el objeto a examinar. Los defectos en la estructura del
material producen perturbaciones en el campo magnético exterior que
producen irregularidades en la distribución del polvo de hierro. Este
ensayo solo sirve para materiales ferromagnéticos y para defectos
superficiales.
3.4.2. Ensayos eléctricos: El más interesante es la variación
de la resistencia de un material cuando en él se encuentra un defecto
superficial.
3.5. Ensayos de fatiga: Cuando determinadas piezas están
sometidas a esfuerzos variables en magnitud y sentido que se repiten con
cierta frecuencia, se pueden romper con cargas inferiores a las de rotura,
trabajando incluso por debajo del límite elástico siempre que actúen
durante un tiempo suficiente. A este fenómeno se le conoce con el nombre
de fatiga. Los ensayos de fatiga más habituales son los de flexión rotativa y
torsión.
Las piezas metálicas pueden romperse bajo esfuerzos unitarios
inferiores a su carga de rotura, e incluso a su límite elástico, si el esfuerzo
se repite un número suficiente de veces.
Para que la rotura no tenga lugar, con independencia del numero de
ciclos, es necesario que la diferencia entre la carga máxima y mínima sea
inferior al límite de fatiga.

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