Diferentes ensayos y sus cálculos para conocer las propiedades de los materiales

1. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA
1.- Propiedades de los metales: Es el conjunto de características
diferentes para cada material o grupo de materiales que ponen de manifiesto
cualidades de éstos.
 Propiedades Físicas: Son propiedades que no afectan a las estructuras y
Densidad: masa contenida por unidad de volumen de un cuerpo. ρ=m/V ; (kg/m3)
Punto de fusión: Tª a la que se produce el cambio de estado líquido-sólido. También
se conoce el tipo de enlace. (ej: C(diam.)=3550ºC)
Calor específico (c): calor necesario para elevar 1gr. una ud. de masa. (cal/gr.; J/kg)
Dilatación (ΔL): variación geométrica con la Tª. K es coef. de dilatación de cada material.
Puede ser lineal, superficial o cúbica. ΔL=L0·K·ΔT
Conductividad: facilidad para transmitir la electricidad y el calor. σ=1/ρ; (Ω·m)-1
Resistividad: inversa de la conductividad ρ=R·A/L ; (Ω·m)
 Propiedades Químicas: Son propiedades que afectan a la estructura y
composición de un material.
Oxidación: combinación del Oxígeno con el metal formando una fina capa.
Protege: Actúa como barrera (ej: Al). No protege: se desprende (ej: Fe)
Corrosión: Cuando además del oxígeno hay agua de lluvia o atmósferas contaminantes.
Soluciones a la oxidación-corrosión: recubrimientos, aleaciones, pinturas...

2. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA
 Propiedades Mecánicas: Resistencia que ofrecen los materiales al
ser sometidos a determinados esfuerzos exteriores:
Dureza: resistencia a ser penetrado o rayado con facilidad.
Elasticidad: capacidad para recuperar su forma original al cesar la carga.
Plasticidad: capacidad de adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la
rotura.
Tenacidad: capacidad de resistencia a la rotura por la acción de fuerzas
exteriores.
Fragilidad: opuesta a la tenacidad. Es cuando un material se rompe fácilmente
por la acción de un choque.
Cohesión: Es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse y depende del
enlace de los átomos. (los átomos de los metales se pueden separar ligeramente)
Resistencia a la fatiga: resistencia a esfuerzos repetitivos
Resiliencia: energía absorbida en una rotura por impacto.
 Propiedades Tecnológicas: Indican la mayor o menor disposición de
un material para poder ser trabajado de determinada manera.
Ductilidad: capacidad para deformarse mediante esfuerzos de tracción sin
romperse, transformándose en hilos. (Fe, Cu, Ni y Al).
Maleabilidad: capacidad para deformarse mediante esfuerzos de compresión sin
romperse, transformándose en láminas.
Colabilidad: capacidad para llenar el made completamente. (Fundición, Bronce,
latón y aleaciones ligeras).
Soldabilidad: aptitud de un material para soldarse con otro bajo presión y
temperatura.
Maquinabilidad: facilidad para ser mecanizado o trabajado con herramientas
cortantes arrancando pequeñas porciones llamadas virutas. (Fundición gris,
bronce, aceros..)

3. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA
2.- Clasificación y tipos de ensayos
Los ensayos de materiales tienen como objetivo poner de manifiesto, mediante
un conjunto de métodos, en su mayoría normalizados, las propiedades de los
materiales ensayados que en cada caso nos interesa conocer y cuya clasificación
es la siguiente:
Los ensayos científicos se realizan para investigar las características técnicas de
nuevos materiales.
Los técnicos están destinados a controlar la producción de forma que se
satisfagan ciertas normas perfectamente definidas. Se efectúan durante el
proceso de fabricación en los laboratorios de fábrica y deben ser rápidos, sencillos
y exactos.
Ensayos destructivos, alteran la forma y presentación inicial del material
experimentado. Los no destructivos no las alteran

4. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA
3.- TIPOS DE DEFORMACIONES
Algunos materiales, cuando se someten a la aplicación de un esfuerzo durante un
tiempo, quedan perfectamente deformados. Si al cesar la fuerza el material
vuelve a sus dimensiones primitivas, se dice que ha experimentado una
deformación elástica. La deformación elástica que todo material puede soportar
es pequeña, puesto que los átomos son desplazados de sus posiciones originales
mientras dura la deformación, pero no hasta el extremo de tomar nuevas
posiciones, de tal manera que, cuando dejamos de aplicar la fuerza de
deformación, vuelven a sus posiciones originales.
Si el material se deforma hasta el extremo de no poder recuperar por completo
sus medidas originales, se dice que ha experimentado una deformación
plástica.
3.1.-
A través de la realización de ensayos de tracción, se busca obtener los valores de
resistencia de un material ante esfuerzos de tracción.
El esfuerzo sobre el material tiene como resultado una tensión en el material que
se define como:
Tensión y Deformación

5. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA
Donde:
 F es la fuerza de tracción aplicada sobre el material. Se mide en N, Kp...
 So es el área inicial sobre la que se aplica perpendicularmente la fuerza, F.
 σ es la tensión resultante en el material. Se mide en unidades de fuerza
dividido por unidad de superficie. (N/m2
ó Kp/cm”
)
NOTA: La unidad en el sistema internacional es el N/m2
, denominado
Pascal. Como esta unidad es muy pequeña, suele emplearse el MPa= 106
Pa
A consecuencia de este esfuerzo, el material se deforma longitudinalmente y
sufre una deformación de valor:
Donde:
ε= Alargamiento. Es adimensional
∆l = variación de la longitud del material. Diferencia entre la longitud inicial y la
final.
Lo= longitud inicial de la pieza
3.1.1.-Ensayo de resistencia a la tracción
El ensayo de tracción es el más frecuentemente realizado en los materiales que
se emplean par la construcción de máquinas, porque nos suministra las más
importantes propiedades necesarias para formar juicio cobre el material.
Durante el ensayo la probeta provista de extremos con espaldilla de apoyo es
colgada en la máquina de tracción y se va alargando paulatinamente,
determinándose al mismo tiempo los esfuerzos que señala la máquina. La forma
de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga máxima y luego de la
ruptura se observa en el dibujo:

6. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA
3.1.2.-Estudio de la tracción
Ninguna construcción debe estar sometida a cargas que sobrepasen el límite de
elasticidad del material de cualquiera de sus partes, mas aún se debe permanecer
por debajo de ese límite para contar con un margen de seguridad que permita
afrontar cualquier contingencia imprevista.
* Probeta:
- Son generalmente barras de sección regular (normalizadas), o se toma un
tramo del producto a ensayar, por ejemplo un trozo de varilla (industrial).
- Sus extremidades son de mayor sección, para facilitar la fijación de la
probeta a la maquina de tracción.
- En las probetas se hacen dos marcas entre las cuales se mide la longitud l
(puntos calibrados).
- Existen dos tipos de probetas:
1. Cilíndricas para ensayos con materiales forjados, fundidos, barras, redondos
laminados y planchas de espesor grueso.
2. Prismáticas o planas. En planchas de espesores muy pequeños.
Probetas normalizada
3.1.3.-Realización del los Ensayos de Tracción.
Los ensayos de tracción, compresión y flexión pueden realizarse con una máquina
Universal Amster o similar, cuyo émbolo produce tracciones, compresiones y
flexiones a voluntad, aplicando las cargas deseadas a la probeta colocada y
sujetada en la máquina por medio de mordazas adecuadas.
3.1.4.- ANÁLISIS DE UN DIAGRAMA DE TRACCIÓN

7. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA

8. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA

9. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA

10. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA
3.1.5.-APLICAIÓN DE LA LEY DE HOOKE AL ENSAYO DE TRACCIÓN
Los alargamientos unitarios (deformaciones) son proporcionales a las tensiones que los producen,
siendo la constante de proporcionalidad el módulo elástico.
Matemáticamente resulta: E= σ / ε
Sustituyendo: σ = F/ S0 y ε = ∆L / L0
En la primera expresión:
E= FL
S0 ∆L
Que es la ecuación fundamental de la tracción, que sólo es aplicable en la zona de
proporcionalidad, ya que una vez rebasado dicho límite el comportamiento no es lineal.
3.1.6.- Tensiones máximas de trabajo.
En las aplicaciones tecnológicas, no es habitual utilizar los materiales al límite de sus propiedades,
sino que se intenta que trabajen un cierto valor por debajo de los valores máximos para
garantizar que no se romperán indebidamente.
Por eso, para los cálculos se utilizan los llamados coeficientes de seguridad, que permiten
establecer los límites de trabajo de un componente en el punto deseado. Con su utilización, se
reducen los esfuerzos máximos a los que se pretende que trabaje un material, con lo que habrá
que aumentar sus dimensiones o seleccionar otro material con unas propiedades más adecuadas.
En general, para calcular las tensiones de trabajo de un material se realiza del siguiente modo:
• Materiales dúctiles:
σ trabajo= σfluencia / n
• Materiales frágiles:
σ trabajo= σúltima de tracción / n
donde n es el coeficiente de seguridad (normalizado)
4.- ENSAYOS DE COMPRESIÓN
Los ensayos de compresión son similares a los de tracción, pero las fuerzas aplicadas tienen
sentido contrario.
En este caso, la sección transversal de la probeta aumenta, y todos los demás parámetros se
calculan del mismo modo, teniendo en cuenta que las deformaciones se producirán en sentido
contrario.

11. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA
Los ensayos de compresión son típicos en cerámicos, cementos, ladrillos...etc, que son materiales
que en condiciones de trabajo están sometidos a este tipo de esfuerzo y lo resisten bien.
5.- ENSAYOS DE DUREZA
Para conocer la dureza de un material, se utilizan unas pruebas que pueden ser de dos tipos: por
rayado o por penetración. En ambos casos se trata de cuantificar esta propiedad mecánica en
función de la facilidad que otro material tenga para dejar una huella cuando se aplica con una
determinada carga o fuerza. La propiedad determinada se denomina cohesión.
La escala más conocida es la de MOHRS. Esta escala utiliza como indicador la facilidad con que un
material raya a otro, pero presenta como inconveniente que sólo incluye algunos materiales y que
no es fiable ni precisa desde un punto de vista técnico.
Escala de Mohrs
1. Talco
2. Sal Gema
3. Calcita
4. Fluorita
5. Apatito
6. Feldespato
7. Cuarzo
8. Topacio
9. Corindón
10. Diamante
Por ello, dicha escala sólo se utiliza como orientación en laboratorios muy sencillos.
Técnicamente los ensayos más utilizados son los siguientes:
• ENSAYO DE DUREZA BRINELL
Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, contra el
material a ensayar, por medio de una carga (F) y durante un tiempo determinado.
Este sistema utiliza una esfera de 10 mm de diámetro que se aplica sobre la superficie del
material con una carga entre 500kp y 3000kp (dependiendo del tipo de material), durante un
tiempo determinado. Una vez transcurrido dicho tiempo, se mide el diámetro de la huella que ha
dejado la esfera de acero en el material ensayado.
El valor de la dureza HB es el cociente entre la carga (F) aplicada en Kp y la superficie (S) de la
huella en mm2
.

12. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA
Características del ensayo Brinell
- No es fiable en materiales muy duros y de poco espesor. Tiene limitaciones.
- No es recomendable para valores mayores a 500 HB si la bola del penetrador no es de
carburo de wolframio.
- Para el error de ensayo por deformación del material no sea muy grande, debe cumplirse:
D/4 < d < D/2
- La carga a aplicar depende del material a probar y del cuadrado del diámetro de la bola:
F= K . D2
donde K es la constante de proporcionalidad
dependiendo del material (siendo mayor para los materiales duros)
- el tiempo de aplicación de la carga depende del material que se ensaya oscilando entre 10
segundos y 3 minutos.
• ENSAYO DE DUREZA VICKERS
Este ensayo deriva directamente del ensayo Brinell, pero sustituye el penetrador de bola por una
punta piramidal de base cuadrada y ángulo en el vértice de 136º entre caras.
Características del ensayo VICKERS
- Las cargas aplicadas son más pequeñas que en método Brinell (oscilan entre 1 y 120 kp).
La mas empleada es la de 30 kp.
- El tiempo de aplicación entre 10 y 30 segundos siendo 15 segundos el más empleado.
- Se utiliza tanto para materiales duros como en blandos.
- Puede medir dureza superficial por la poca profundidad de la huella.
- La expresión de la dureza se indica por una expresión tipo: 520Hv 30/15 ( 520 número de
dureza VICKERS 30 kg de carga durante 15 segundos).
• ENSAYO DE DUREZA ROCkWELL
Se diferencia de los anteriores en que la medida de la dureza se hace en función de la profundidad
de la huella y no de su superficie. Consiste en hacer penetrar, en dos tiempos, en la capa
superficial de la pieza un penetrador de forma prefijada y medir el aumento permanente de la
profundidad de penetración.
La unidad se toma igual a 0,02 mm (dos micras), por lo que la dureza Rockwell viene expresada
por un número que indica cuantas veces el aumento contiene a la unidad convencional de medida.

13. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA
Características del ensayo
- para materiales blandos (HB<200) el penetrador es una bola de acero de
diámetro = 1,5875 mm
- para materiales duros (HB >200) es un cono de diamante de 120º en la punta.
- Los valores de las cargas son:
Denominación penetrador
Carga (kp)
Carga inicial Carga adicional total
ROKWELL B Bola de acero 10 90 100
ROKWELL C Cono de diamante 10 140 150
Realización de la prueba
La prueba consta de tres fases:
1.Aplicación de la carga 10 kp para asentar el conjunto. Marca la huella h0
2.Aplicación de la carga adicional que origina la huella máxima
3.Eliminar la carga adicional. Se produce una reacción elástica del material que eleva al
penetrador una cierta cantidad quedando la huella permanente.
El número que se lee sobre la escala del equipo después de retirar la carga adicional marca la
dureza rockwell correspondiente al valor de la profundidad de huella permanente “e”. Cada unidad
e= 0.002 mm.
HRc =100 – e HRb= 130 – e

14. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA
RESUMEN de ensayos de dureza
TIPO DE
ENSAYO
IDENTADOR CARGA MEDICIÓN NÚMERO DE DUREZA
BRINELL
Esfera de acero
templado de
diámetro D
F durante un
determinado
tiempo
Diámetro de
la huella
ROCKWELL
B
Bola de acero de
diámetro d
Precarga 10 kp
y carga
durante un
tiempo
determinado
Obtención de
e como
diferencia de
penetradores
entre
precarga y
carga
e = l0 – l
HRB = 130 – 500 . e
ROCKWELL
C
Cono diamante
Precarga 10 kp
y carga
durante un
tiempo
determinado
Obtención de
e como
diferencia de
penetradores
entre
precarga y
carga
e = l0 – l
HRc = 100 – 500 .e
VICKERS
Pirámide de base
cuadrada
F durante un
tiempo
determinado
Diagonal de
la huella de d
6.- ENSAYO DINÁMICO POR CHOQUE. ENSAYO DE RESILIENCIA.
Permite determinar la energía absorbida en la rotura de una probeta normalizada producida por
un golpe seco de un martillo en su caída. La propiedad que se mide es la resiliencia.
La máquina más utilizada en el ensayo de resiliencia es el péndulo de Charpy. Esta máquina
consta de una base rígida con dos soportes verticales, unidos en la parte superior por eje
horizontal, dicho eje lleva acoplado un brazo giratorio, en cuyo extremo va situado un martillo en
forma de disco, el cual golpea la probeta y produce la rotura.
Otro tipo e prueba, es el método IZOD, cuya diferencia con la anterior es que la probeta está
empotrada en un extremo cerca del cual se encuentra la muesca,
7.- ENSAYO DE FATIGA.
Se produce cuando un material es sometido a esfuerzos idénticos que se repiten a lo largo del
tiempo. El problema de la fatiga es que se produce sin avisar, es decir, sin que se hayan
producido síntomas externos de fallo, por lo que es difícil o imposible predeterminar.
Leyes fundamentales de la fatiga:
1.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.
2.Para que la rotura no tenga lugar, con independencia del número de ciclos, es necesario que la
diferencia entre la carga máxima y la mínima sea inferior a un determinado valor, llamado límite
de fatiga. Ejemplos: correa de distribución en un coche, los ejes, los neumáticos..etc.

15. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA
8.- OTROS ENSAYOS MECÁNICOS.
- Ensayo de flexión. (la fuerza intenta doblar la pieza, alargando unas fibras y acortando
otras).
- Ensayo de torsión. (las fuerzas externas tienden a retorcer las piezas).
- Ensayo de pandeo. (esfuerzo combinado de flexión y compresión sobre las piezas).
- Ensayo de cizalladura o cortadura. (cuando actúan fuerzas contrarias y situadas en planos
contiguos de la pieza)
9.- ENSAYOS TECNOLÓGICOS
- Ensayo de la chispa. (permite por comparación con probetas patrón, conocer las
características de composición de un acero, analizando el haz de chispas producidas por la
acción de una muela de esmeril sobre la probeta).
- Ensayo de plegado. Permite analizar la maquinabilidad y ductilidad de los materiales.
- Ensayo de embutición. Determina la idoneidad de un material para ser deformado en
profundidad.
- Ensayo de forja. (condiciones de un material para ser trabajado plásticamente).
10.- ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS.
- Ensayos magnéticos.
- Ensayos eléctricos
- Ensayos por líquidos penetrantes.
- Ensayos micrográficos
- Ensayos macroscópicos
- Ensayos de rayos X, gamma
- Ensayos de ultrasonidos