INSTITUTO TECNOLOGICO DE CULIACAN

PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES

Castro Apodaca Luis Alberto

13170400

Núm. Control

Grupo: T-03 Hora: 14:00 Fecha: 09/05/2014

Maestro de asignatura

MC Julio César Aguilar Virgen

CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES

Contenido

1. Pruebas mecánicas de los materiales1.1. Introducción1.2. Importancia de estudiar las propiedades mecánicas en los materiales1.3. Tipos de pruebas usadas en la evaluación del material

2. Prueba de tensión2.1. Introducción2.2. Deformación elástica y la relaciones entre esfuerzo y deformacion2.3. Límites de elasticidad y de proporcionalidad2.4. Deformacion plástica2.5. Relación de esfuerzo y deformacion verdadero2.6. Elongación2.7. Reducción de área2.8. Encuellamiento2.9. Instabilidad en tensión2.10. Esfuerzo y deformación cizallante2.11. Energía de deformación elástica2.12. Tenacidad

3. Prueba de compresión3.1. Introducción3.2. Compresión de materiales frágiles3.3. Compresión de materiales dúctiles3.4. El efecto de la presión hidrostática sobre compresión

4. Prueba de flexión4.1. Introducción4.2. Pruebas de flexión dúctil4.3. Pruebas de flexión para materiales frágiles

5. Pruebas de dureza5.1. Introducción5.2. Identación por indentadores esféricos (bolas)5.3. Identación por indentadores pirámides y cónicos5.4. Identación por indentadores cónicos (o esféricos)5.5. Pruebas de microdureza

6. Nanoindentación6.1. Introducción6.2. Identadores y cargas6.3. Descripción de pruebas6.4. Análisis de datos

7. Pruebas de Torsión (corte)7.1. Introducción7.2. Torsión en la región elástica7.3. Torsión en la región plástica7.4. Cambio axial en torsión7.5. Fractura por prueba de torsión

8. Prueba de impacto8.1. Introducción8.2. Técnicas de pruebas de Impacto8.3. Transición frágil-dúctil8.4. Determinación de temperatura de transición frágil-dúctil8.5. Efecto de las variables en la energía de impacto

9. Prueba de termofluencia9.1. Introducción9.2. Termofluencia en materiales monocristales9.3. Termofluencia en materiales policristalinos9.4. Mecanismos de termofluencia9.5. Deslizamiento de límites de grano9.6. Ruptura por termofluencia9.7. Prueba de termofluencia9.8. Curva de termofluencia9.9. Efecto de esfuerzo y temperatura9.10. Prueba de termofluencia-ruptura

10. Prueba de fatiga10.1. Introducción10.2. Definiciones10.3. Pruebas de fatiga10.4. Mecanismos de falla por fatiga10.5. Factores que afectan la resistencia a la fatiga de los materiales

11. Prueba de fractura11.1. Introducción11.2. Tipos de fractura11.3. Fractura frágil11.4. Fractura dúctil11.5. Tenacidad a la fractura

Bibliografía

1. Pruebas mecánicas de los materiales1.1. IntroducciónLas pruebas mecánicas son pruebas destructivas en las que los materiales de estudio son sometidos a esfuerzos mediante la aplicación de una fuerza externa hasta su deformación y/o ruptura, para determinar sus propiedades de dureza, elasticidad, fragilidad y  resistencia a la penetración. Se pueden estudiar materiales diversos como: polímeros, metales de baja dureza, materiales cerámicos, materiales compuestos, productos farmacéuticos y alimentos, así como productos o piezas elaboradas con estos materiales.

1.2. Importancia de estudiar las pruebas mecánicas en los materialesLas pruebas mecánicas en los materiales se realizan con la finalidad de conocer funciones en las cuales cada material se comporta mejor, todo esto bajo ciertos factores ya sean ambientales o provocados, conociendo así sus fortalezas y debilidades.

1.3. Tipos de pruebas usadas en la evaluación de un material Prueba de tensión Prueba de compresión Prueba de flexión Prueba de dureza Nanoindentación Prueba de torsión Prueba de impacto Prueba de termofluencia Prueba de fatiga Prueba de factura

2. Prueba de tensión2.1 introducciónUna de las pruebas útiles y sencillas para la capacidad de carga es la prueba de tensión, que relaciona el estrés y la tensión. De las dos tensiones fundamentales, denominado “tensión normal” y “esfuerzo de corte”.

En un cuerpo, cada fuerza que actúa puede ser resuelta en un componente que actúa normalmente en un área elegida y dos componentes que actúan tangencialmente en esa área. Cuando la fuerza P actúa en una pequeña porción del espécimen ΔA, una tensión de oposición interna equilibra la carga aplicada. Para un espécimen cilíndrico libre, por ejemplo, se puede escribir:

(1.1)

O: (1.2)

Integrar (1.2) como se muestra en (1.3) 1.3Suponiendo que la tensión σ se distribuye uniformemente sobre los medios de corte transversal y que actúa a un nivel constante, se puede escribir como:

(1.4)

O:

2.2. Deformación elástica y la relación entre esfuerzo y deformación Con cargas bajas, la deformación producida por la aplicación de una forma continua aumentando carga de tracción uniaxial es elástica Fig. 1.5. Este tipo de comportamiento caracteriza materiales completamente frágiles, tales como vidrio, cerámica, etc. En materiales similares al caucho, la relación de esfuerzo/deformación no es lineal Fig. 1.6. La Fig. 1.7 muestra una parte de una curva de esfuerzo/deformación de los metales en la región elástica, que se extiende ligeramente también a la región plástica, lo que indica una transición de un modo de deformación a otro.

Esta propiedad en la mayoría de los materiales de los que se puede observar un comportamiento verdaderamente elástico, puede ser representada por la Ley de Hooke.

Fig. 1.5. Esquema línea de esfuerzo/deformación en la región elástica; σ = Ee

Fig. 1.6. Relación esfuerzo/deformación en un material similar al caucho.

Fig. 1.7. El esfuerzo/deformación curva algo más amplio en la región plástica para mostrar los 0.002 compensados.

2.3. Límites de elasticidad y de proporcionalidadMateriales que muestran una deformación reversible en respuesta a una carga que actúa aplicando en las superficies externas exhiben comportamiento elástico. El objetivo es determinar la transición elástica para el comportamiento plástico mediante la evaluación de límite de elasticidad.Se define límite de proporcionalidad como al estrés en el que la curva de esfuerzo/deformación se desvía primero de una línea recta Fig. 1.7.Básicamente, los materiales pueden ser dúctil y frágil. Los materiales dúctiles pueden soportar estrés relativamente grande dentro de la región elástica antes de ceder, mientras que es no es el caso de los frágiles, que por lo general rompen de repente en la región elástica, a menudo incluso por debajo del límite de proporcionalidad.

2.4. Deformación plástica Una curva típica de esfuerzo/deformación (Fig. 1.8) se produce mediante la aplicación de una carga de tensión contante aumento unixial para producir deformación en la muestra analizada.El estrés σ calculado a partir de la carga) y la tensión (e) (calculado a partir de la extensión) o bien se puede representar como “estrés nominal” en contra “deformación nominal” o como “tensión verdadera” contra “deformación real”. Tensión nominal y la tensión son otras expresiones de la curva de la ingeniería indican. En este caso, el estrés es la relación de la carga aplicada a la zona original entre las dos marcas de Gage. La ecuación 1.4 se modifica como:

Fig 1.8. Curva de la ingeniería de esfuerzo-deformación

2.5. Relación de esfuerzo y deformación verdadero

Un verdadero esfuerzo/deformación se comporta de manera muy diferente que una curva de la ingeniería de esfuerzo/deformación. Cuando cierto estrés y la deformación real son relacionadas, se observa un aumento de la

carga hasta el punto de fractura del material.

Fig. 1.10. Comparación de las curvas de verdadero esfuerzo/deformación y la ingeniería de esfuerzo/deformación. La relación esfuerzo/deformación

verdadera puede ser expresada por:

2.6. Elongación Elongación es una de las medidas de la ductilidad y puede especificarse en las diversas etapas de una prueba de tensión, tales como la rotura de un índice apropiado.Proporciona información sobre la ductilidad del material ósea hasta qué punto puede ser deformado sin fractura. Además, se puede obtener una indicación de la cantidad que fluirá de un material, un factor importante en los metales. Como se mencionó el estándar entre dos puntos fijos y su cambio en cualquier etapa de la deformación.

2.7. Reducción de áreaOtro método para expresar la ductilidad es la reducción del área, que tiene el merito de ser un parámetro importante en el metal que forma una hoja de metal y, en particular, en las operaciones de embutición profunda, que se

utiliza durante el proceso de fabricación en la producción de vasos y otros artículos. La medición de la zona de secciones transversal en el gage y su cambio en un instante particular durante la prueba permite la evaluación de ductilidad en términos del porcentaje de reducción de la superficie:

2.8. EncuellamientoDurante la prueba de tensión de un material dúctil, se alcanza a un punto, por lo general cuando algún tipo de inestabilidad se establece, en la que se concentran relativamente grandes cepas a nivel locas y, como resultado, una gran disminución de la sección transversal se produce. El punto en el que se establece la inestabilidad es general es un punto débil en la muestra de la prueba. La deformación se concentra en ese punto, lo que resulta en una extensión acelerada de la muestra, asociado con el adelgazamiento hacia abajo en esta región. Debido a la analogía de la probeta cilíndrica adelgazas hacia abajo en el cuello humano, este fenómeno que ocurren en el lugar donde se produce la deformación rápida se denomina usualmente encuellamiento.

2.9. Inestabilidad en tensión Se ha señalado en el apartado anterior que la inestabilidad se establece en la formación de cuello, que se produce en la carga máxima en un material dúctil probado por la tensión. En metales reales, se produce endurecimiento por deformación y por lo tanto, la capacidad de soporte de carga de los materiales aumenta. Así cuando el endurecimiento por deformación ocurre, la carga (esfuerzo) tiene que ser aumentado para una deformación adicional, para la curva de tensión/deformación verdadera, pero cuando estricción en conjuntos, el cambio en la carga en el máximo (Fig.1.13) es DPD 0, que expresa la inestabilidad.

Fig. 1.13. Extensión de carga en P del punto máximo dP = 0

2.10. Esfuerzo y deformación cizallante

Estrés de cizallamiento se define como el esfuerzo paralelo aplicado a una cara de un material, como a diferencia de la tensión normal, que se aplica perpendicularmente. Un soló de corte puede inducir la deformación plástica de un metal. El trabajo realizado sobre un cuerpo por una deformación tal permanece almacenada en el material. Planos atómicos se deslizan uno sobre el otro y por lo tanto, cambian de forma permanente las posiciones ralativas de los atamos. Hay un esfuerzo de cizallamiento para la deformación plástica. Un cubo elemental retirado de una estructura material sobre el cual las fuerzas expresan como tensiones están actuando (Fig. 1.16), aquí las tensiones que actúan normalmente al plano y los que actúan en el plano se ilustran. Los esfuerzos que actúan dentro de los planos de los cubos son esfuerzos cortantes, también conocidos como tensiones tangenciales. Ellos se muestran paralelos a los ejes, pero son generalmente no paralela a ellos.

Fig. 1.16. Un cubo elemental removido de un material estructural con fuerzas actuando (estrés).

2.11. Energía de deformación elástica

La deformación es un proceso termodinámico en el que la energía interna del cuerpo

acumula energía potencial elástica. A partir de unos ciertos valores de la deformación se pueden

producir transformaciones del material y parte de la energía se disipa en forma de plastificado,

endurecimiento, fractura o fatiga del material.

2.12. Tenacidad Durante la deformación de un material en la región elástica, la energía es absorbida. La tenacidad de un material es su capacidad de absorber energía cuando se deforma elásticamente hasta su punto de fluencia y para recuperarlo en la descarga. La tenacidad está representada por UR donde:

3. Pruebas de compresión La comprensión es lo contrario a la tensión, ésta prueba consiste en poner a prueba un material hasta lograr su ruptura. Se utiliza para saber que resistencia tiene un material al aplicarle una fuerza de compresión, en esta prueba se determina el esfuerzo que el material puede soportar en unidades fuerza/área. 

3.1. Compresión de materiales frágiles

Algunos ejemplos de estos materiales son: vidrio, piedras e hierro fundido. L as pruebas realizadas a estos materiales se asemejan mucho las pruebas que se les realizan a los materiales elásticos en las pruebas de tensión, muestran resultados muy parecidos en cuanto al comportamiento atómico de su estructura. En las pruebas de compresión ya es algo muy distinto, el comportamiento es totalmente diferente y se obtienen resultados muy disparejos que con la prueba de tensión.

Algunos materiales pueden mostrar comportamientos dobles, comúnmente conocido como dual, esto significa que dependiendo las condiciones a las que se someta dicho material, será el resultado que se obtenga de la prueba, por ejemplo, el acero es un material con el comportamiento dual, a bajas temperaturas es frágil y a altas temperaturas es dúctil.

3.2. Compresión de materiales dúctiles

En las pruebas de tensión, hay un alargamiento de los materiales, por contrario, en las pruebas de compresión el material es encogido. Cuando se aplica la carga uniaxial en los bordes de la muestra, aparecen fuerzas de fricción que se oponen a la propagación lateral del material. Durante el proceso de la aplicación de fuerza en la prueba de compresión y se rebasa el límite que el material soporta, ocurre lo inevitable, el material colapsa y se fractura.

Esta prueba es muy utilizada para conocer la resistencia de materiales que se van a utilizar en alguna maquinaria o equipo en la cual se van a trabajar fuerzas o pesos muy grandes, y asi evitar futuros accidentes mecánicos en los cuales el material falle y ocasione pérdidas humanas o monetarias.

3.3. El efecto de presión hidrostática en compresión

Si bien sabemos que “La presión hidrostática es la fuerza por unidad de área que ejerce un líquido en reposo sobre las paredes del recipiente que lo contiene y sobre cualquier cuerpo que se encuentre sumergido, como esta presión se debe al peso del líquido, esta presión depende de la densidad (p), la gravedad (g) y la profundidad (h) del el lugar donde medimos la presión (P) P=p*g*h”

Strokov y Barabanov se han encargado exhaustivamente de estudiar las presiones hidrostáticas y se encontraron con que el módulo de elasticidad, la resistencia a la compresión y la tensión a la

ruptura, todo aumenta proporcionalmente. También se encontraron con que la compresión se ve afectada significativamente por la presión hidrostática. Esta es la razón por la cual los materiales frágiles son en su mayoría probados por compresión.

Para concluir esta sección sobre el efecto de la presión hidrostática, se puede citar el trabajo de Tirosh y Abraham: "Von Karman (1911) llevó a cabo las pruebas de compresión en mármol y piedra arenisca con la presión del fluido hidrostático superpuesta. Su sucesor Boker (1914) realizó pruebas similares, pero en el modo de tensión bajo la presión del fluido hidrostático, con mármol y el zinc fundido. Sus resultados fueron cualitativamente la misma: (i) la presión hidrostática de confinamiento, si es lo suficientemente alta, conduce a un aumento sustancial en la compresión de material y resistencia a la tracción, (ii) la cepa de tracción de fallo se incrementa significativamente por la presión hidrostática, y es frecuentemente asociado con estricción localizada ".

4. Prueba de flexión

4.1. Introducción

Este método se utiliza para medir la ductilidad de ciertos materiales. No hay términos estandarizados para presentar los resultados de los ensayos de flexión en amplias clases de materiales; por el contrario, se aplican términos asociados a los ensayos de flexión a formas o tipos específicos de materiales. 

4.2. Pruebas de flexión dúctil

Por lo general los miembros se encuentran en flexión no uniforme lo que indica que se presentan de forma simultánea momentos flectores y fuerzas cortantes, por lo tanto se hace necesario saber que sucede con los esfuerzos y las deformaciones cuando se encuentran en esta situación y para ello se deben conocer las fuerzas internas que actúan sobre los elementos determinándolas para la obtención de los diagramas de momentos flectores y fuerzas cortantes que actúan sobre un elemento dado.

4.3. Pruebas de flexión para materiales frágiles

En los materiales más frágiles, la falla se presenta en la carga máxima, cuando la resistencia a la tensión y la resistencia a la ruptura son iguales. En los materiales frágiles, incluidos muchos cerámicos, la resistencia de cadencia, la resistencia a la tensión y la resistencia a la ruptura son iguales.

En muchos materiales frágiles no se puede hacer con facilidad el ensayo de tensión convencional, a causa de la presencia de imperfecciones en la superficie. Con frecuencia, solo con poner un material frágil en las mordazas de la máquina de ensayo de tensión, se produce la fractura.

5. Pruebas de dureza

5.1. Introducción

Hoy en día la variedad de materiales es casi infinita, gracias a la tecnología moderna hemos creado materiales que se adaptan nuestras necesidad, esto también nos lleva a que necesitamos controlar dichos materiales para saber cómo, cuándo y porqué utilizarlos, es por eso que nacieron las pruebas, una de ellas es la prueba de dureza, la cual consiste en realizar un examen en el cual se mide que tan duro es el material, aplicando fuerza y midiendo el índice de penetración. Podemos encontrar materiales macro, micro y nano que tienen distintas funciones en el campo laboral. La dureza de un material se correlaciona directamente con su fuerza, resistencia al desgaste y otras propiedades.

En esta prueba es muy importante que el penetrador sea más duro y resistente que el material penetrado, para así evitar fallos en la prueba u obtener mediciones erróneas al momento de realizar dicha prueba, los diamantes y zafiros son perfectos para este tipo de pruebas por sus bajos coeficientes de fricción.

5.2. Indentacion por identidades esféricos (bolas)

Citando al libro.

“1 . Durante las pruebas de bolas, cuando se retira la carga, la impresión que queda en la superficie del metal representa la deformación plástica. Es imposible medir la contribución elástica gama a la indentación, debido a la recuperación elástica.

2 . Menos que se tomen precauciones para mantener P/D2 constante durante la prueba Brinell, como se indica en la ecuación. 1.58 (y que puede ser un inconveniente), el BHN variará generalmente con la carga. Más de una gama de cargas, el BHN alcanza un máximo en algún carga intermedia. Esto se puede deducir de la figura. 1,24 , donde se ve que el cambio en BHN alcanza un máximo y luego disminuye . BHN es f ( P ) , por lo que un aumento en BHN significa un aumento en P. Por lo tanto, no es posible cubrir toda la gama de arneses encontrados en metales de interés industrial con una sola carga. Para obtener todo el rango de dureza, es esencial que la carga y la bola de tamaño relación relación de ser la misma.

3. El principal inconveniente de estas pruebas es la necesidad de medir ópticamente el tamaño guion, que se realiza con un microscopio de baja potencia.

4. Una amplia gama de cargas y tamaños de bolas se puede utilizar para cubrir todos los arneses encontrados en la práctica, de suave a los metales duros, satisfaciendo todas las aplicaciones industriales.

5 . La prueba no es destructiva, por lo tanto piezas o muestras normalmente pueden ser reutilizadas.

6 . Métodos de ensayo Brinell están normalizados (ASTM ) .”

5.3. Indentacion por identidades piramidales icónicas

1. A pesar de varias configuraciones de carga diferentes los números de dureza casi idénticos se obtienen de materiales uniformes. Esto es tanto mejor que cambiar arbitrariamente la escala cuando se utilizan otros métodos de ensayo de dureza.

2. La prueba de dureza Vickers da lecturas más precisas diagonales.

3. Sólo un tipo de indentador se utiliza para todo tipo de metales y tratamientos de superficie. Esta prueba cubre una amplia gama de dureza y, como resultado, una escala continua se puede establecer.

4. Debido a la amplia gama de carga, esta prueba es adaptable para la prueba de casi cualquier material metálico, los más suaves y más difíciles.

5.4. Indentacion por identidades cónicas (esféricos)

La prueba de dureza Rockwell es el más utilizado y versátil de las pruebas de dureza. Por lo general, el penetrador es un cono, llamado el ' Brale penetrador ', pero en algunas escalas de dureza también se usan penetradores esféricos. Históricamente, la prueba de dureza Rockwell se desarrolló debido a que la prueba común Dureza Brinell fue relativamente lento, no es muy útil para probar el acero totalmente endurecido y dejó una gran impresión después de la sangría.

6. Nanoindentación

6.1. Introducción

Esta prueba surge al ver que una prueba de indentación es una excelente manera de medir las propiedades mecánicas de pequeños volúmenes, y utilizando un identador pequeño se dieron cuenta que obtienen mejores resultados, aunque resulta muy difícil poder observar que es lo que ocurría, para esto era necesario un microscopio y de esta manera surge la nanoidentacion.

6.2 Indentadores y cargas

La necesidad creciente de caracterizar las propiedades mecánicas a la escala nanométrica ha favorecido el desarrollo del ensayo de Nanoindentación instrumentada. En los ensayos de Nanoindentación, se mide de manera continua la carga aplicada y la profundidad de penetración del indentador en el material, durante un ciclo de carga y descarga. El análisis de las curvas de descarga permite determinar el área de contacto entre el indentador y el material ensayado y obtener propiedades mecánicas del material, especialmente dureza y módulo elástico.

6.3. Descripción de pruebas

En esta prueba, se tiene una carga preestablecida se aplica continuamente a una punta del indentador, colocado normal a la superficie de la muestra. La carga entonces se retira poco a poco hasta que se ha producido relajación parcial o completa de la muestra. La carga y el desplazamiento se registran continuamente durante todo este proceso para producir una curva de carga-desplazamiento.

También se podría medir la dureza de un material permitiendo que el penetrador penetre en la superficie de la muestra y la medición de la resistencia ofrecida por la muestra a la deformación plástica.

6.4 Análisis de datos

Desde la aparición de las técnicas de indentación instrumentada se han publicado gran cantidad de trabajos en los que se evalúan propiedades mecánicas como la dureza o el módulo elástico de recubrimientos y materiales cerámicos. La metodología desarrollada por Oliver y Pharr permite calcular estas propiedades a partir de la curva fuerza – desplazamiento obtenido en un ensayo. Sin embargo, existen algunos factores ajenos al material que pueden condicionar el análisis de los datos experimentales. En particular, el efecto del tamaño de la indentación y la geometría del indentador empleado pueden producir variaciones considerables respecto de los resultados esperables.

7. Pruebas de torsión (corte)

7.1. Introducción

No toda deformación ocurre por tensión o compresión. Hay otra manera de inducir una mancha en un espécimen, esto es por corte. Tensión de cizallamiento puro se producen en especímenes sometido a torsión. Este tipo de deformación no es tan popular como tensión o ensayos de compresión, pero es de gran importancia para la industria. Una variedad de elementos de máquinas operan bajo una tensión cortante cuando se expone a las fuerzas de rotación.

7.2. Torsión en la región elástica

Las máquinas de pruebas de torsión están disponibles comercialmente para las pruebas que se llevan a cabo mediante la aplicación de un momento de torsión a una muestra. Se monta una muestra en un plato especial. La deformación por torsión aplicada a la muestra se mide por un dispositivo llamado “tropometer”, que es un instrumento para medir el grado de torsión. La respuesta del material a una fuerza de torsión, es decir, el ángulo de torsión y el par, se registran mientras se realiza la prueba.

Supongamos que un cilindro de longitud L y radio r es retorcido por un ángulo. Una pareja de tensiones son aplicadas por torsión alrededor de su eje. También suponer que la cepa resultante se distribuye de manera uniforme. La figura 1.30c y d representan el cilindro de la figura. La figura 1.30 A en una diferente posición y cuando ha sido abierta y hacia fuera plana por fuerzas de cizallamiento. La figura 1.30D ilustra el resultado de una distorsión de cizallamiento. La longitud del arco es una. Para ángulos pequeños, la longitud del arco, AB en la fig. 1.30 c, y d se puede dar como:

7.3 Torsión en la región plástica

Esquemáticamente, una prueba de torsión que expresa la relación entre T y Y se ilustra de una manera similar a la de una tensión (o compresión) de prueba. Una relación experimental de la tensión y deformación en cobre puede verse en la en términos de deformación efectiva, así como en términos de esfuerzo cortante y deformación. Esta cifra se compara con la tensión y torsión en pruebas de muestras de cobre que han sufrido el mismo calor y tienen el mismo tamaño de grano. Expresando el ensayo de tracción y torsión resultados en términos de tensión efectiva permite la comparación entre los dos tipos de pruebas.

7.4 Cambio axial en torsión

El cambio axial en muestras puede ocurrir cuando las cepas de plástico grandes están implicados en torsión. Experimentos que aplican torsión a varios ejemplares de tamaño, tanto de extremo libre y extremo fijo, se registraron por Wu, Et al. En extruido y fundido de alta pureza al.

Un extensómetro especialmente diseñado mide la tensión en ejes macizos o tubulares en muestras. Aumentos de extensión axial con la tensión cortante en la torsión del extremo libre en muestras. En las muestras de gama fija, el cambio axial se ve afectada por la temperatura, pero casi ninguna de las muestras de extremo libe se ven afectados en la investigación de

rango de temperatura. Se alegó por Wu et al. que, en el ensayo de torsión de extremo libre de un eje sólido, el cambio axial es más pequeño de lo que es en muestras tubulares; por lo tanto, ejes macizos no son útiles para el estudio del efecto axial y la evaluación de su magnitud.

7.5 Fractura por prueba de torsión

La naturaleza no homogénea de la deformación plástica bajo grandes cepas afecta al tipo de fallo que se produce. En general, el fallo debido a la torsión es diferente de la insuficiencia producida como consecuencia de la tensión. Por lo tanto, un material dúctil falla en cortante a lo largo de un plano, donde el esfuerzo cortante es máximo.

Las pruebas de torsión son útiles por dos razones. En primer lugar, se pueden proporcionar datos a muy grandes deformaciones sin cambios en la geometría de la probeta y sin ningún efecto de la fricción en las mordazas. En segundo lugar, estos datos están en modo de plano y deformación, que en ocasiones se ha observado para exhibir las diferencias sistemáticas en el comportamiento con respecto a las pruebas uniaxiales. En la hoja de laminados, por ejemplo, cepas de plano están involucrados durante la deformación.

8. Prueba de impacto

8.1. Introducción

La prueba de impacto es un método muy popular y rápido para evaluar la tenacidad a la fractura de materiales, uno de los propósitos de este método es para evaluar la energía absorbida por una muestra estándar durante las pruebas a muy altas velocidades de deformación.

Se conoces dos tipos de pruebas de impacto una es Charpy y la otra es Izod, la prueba Charpy es común en EUA pero la segunda se utiliza principalmente en el Reino Unido y Europa.

Las pruebas de impacto se realizan como una función de la temperatura, para determinar la transición de dúctil a frágil, que es dependiente de la temperatura.

8.2. Técnicas de pruebas de Impacto

Los tres factores básicos que contribuyen a una fractura de tipo frágil escote son:

1.- Alta velocidad de deformación, es decir, rápida velocidad de deformación

2.- Concentración de tensiones

3.- Estado de tensión triaxial, que puede ser introducido por la presencia de una muesca

En la prueba de impacto es muy popular y rápida para evaluar la capacidad de fractura de materiales. Uno de los propósitos de esta prueba es para evaluar la energía absorbida por un material a velocidades muy grandes, o en los cuales se les aplica mucha fuerza.

Dependiendo del tipo de prueba y de la manera en que se llevara a cabo, se conocen dos tipos de pruebas: la Charpy e Izod.

La Charpy suele utilizarse más en los Estados Unidos y la Izod se utiliza en Reino Unido y Europa. Estas pruebas de impacto se realizan en función de la temperatura, para determinar la transición de dúctil a frágil, que es dependiente directamente de la temperatura.

8.3. Transición frágil-dúctil

Algunos materiales fallan en una manera dúctil a altas temperaturas y en una manera frágil a bajas temperaturas. Una de las funciones primarias de la Charpy o pruebas Izod es para determinar si o no un material experimenta la transición de dúctil a frágil con la disminución de la temperatura, y si es así el rango de temperatura en el que se produce esto.

8.4. Determinación de temperatura de transición frágil – dúctil

La temperatura de transición de dúctil a frágil es aquella a la cual el modo fractura en un material cambia de dúctil a frágil. Se puede fingir esta temperatura mediante la energía promedio entre las regiones dúctil y frágil, o sea cierta energía especifica absorbida, o mediante la aparición de alguna fractura característica. Un material que se somete a un golpe de impacto en servicio debe tener una temperatura de transición menor que la de su entorno.

9. Prueba de termofluencia

9.1. Introducción

La termofluencia se refiere a la deformación plástica de un material expuesto a un continuo estrés en el tiempo. La mayoría parte del tiempo se meten solo a temperaturas elevadas.

Cuando los materiales se someten a una tensión continua a temperaturas elevadas, este se puede estirar y finalmente fallan por el bajo limite de elasticidad. La medición de la deformación es bastante sencilla. En cada caso, el equipo consta de un bastidor, un horno para mantener la temperatura elevada, y un motor para poder aplicar la carga de tensión.

9.2. Termofluencia en materiales monocristales

Dado que el área de sección transversal en la porción de longitud del calibre puede tener cambios durante la deformación y la tensión también varía con el tiempo.

Para tener una idea más clara de los mecanismos de fluencia, los ensayos de fluencia se hacen bajo condiciones de estrés constante. El estado de la deformación plástica resultante de deformación se midieron y se representaron con una gráfica como una función de tiempo.

9.3. Termofluencia en materiales policristalinos.

Los factores de la termofluencia que suceden con los monocristales también se aplican en materiales policristalinos pero lo que cambia entre los dos son los limites de grano, ya que tienen un doble efecto sobre la termofluencia.

El primer efecto es que fortalece al material, pero el segundo efecto acelera el grano-limite de deslizamiento.

Los aceros más resistentes a la termofluencia se utilizan en plantas de energía. La microestructura de este metal debe ser muy estable sin importar a la temperatura a la cual el metal se esté exponiendo.

Para así saber la resistencia que tiene este metal si se utiliza por mucho tiempo y así poder garantizar si es seguro o no.

9.4. Mecanismos de termofluencia

Se establece el equilibrio entre los procesos de recuperación en las dislocaciones móviles y endurecimiento por deformación de la muestra debido a la carga aplicada. La velocidad de fluencia es constante y también mínimo, y es esta relación de fluencia mínima que se utiliza en las consideraciones de diseño y en consecuencia, la resistencia a la fluencia del material es la más alta en esta etapa.

9.5. Deslizamiento de límite de grano.

Es un proceso en el que los granos se deslizan unos entre otros a lo largo de su límite, el movimiento de límite de grano es muy importante para saber el comportamiento característico de materiales para la aplicación de su termofluencia.

Existen tres tipos de termofluencia en este deslizamiento, que vendrían siendo

-Termofluencia primaria, que vendría siendo cuando la tensión aumenta debido al endurecimiento que viene presentando el material.

-Termofluencia secundaria, es la disminución de las barreras de contorno con aumento de tamaño de grano.

-Termofluencia terciaria, aquí ya hay un gran cambio estructural y es cuando se empiezan a formar cavidades y se pueden observar en los límites de grano.

9.6. Ruptura por termofluencia

Cuando tenemos el parámetro que se utiliza para calcular la vida útil de los componentes utilizados para aplicaciones de toda la vida y la vida útil de es el parámetro de diseño utilizado para evaluar la vida corta, por ejemplo para los álabes de la turbina de los aviones militares y cohetes boquillas de motor y si una prueba de fluencia se lleva a cabo hasta que se rompe el espécimen, entonces ese tipo de prueba se conoce como prueba de la rotura por fluencia.

En comparación con las pruebas de fluencia convencional los niveles de estrés empleados en una prueba de la rotura por fluencia son más altos.

9.7. Prueba de termofluencia

Al aplicar un esfuerzo en un material a alta temperatura, este material terminara por ceder y acabar con el uso de este materia, esto ayudara a saber que tan resistente es el material delante de ciertos factores a los cual se pueda someter y así saber cómo poder utilizar.

Una deformación permanente, bajo una carga o esfuerzo contaste y a altas temperaturas se llama termofluencia, para esto es importante tener una especie de prueba para poder medir las deformaciones de los objetos y como dice anteriormente la prueba sirve para saber en que momento un objeto fallara y asi poder tomar una mejor decisión, si es el objeto indicado para realizar el tipo de la tarea a la cual se le va a someter.

9.8. Curva de termofluencia

Si queremos determinar el comportamiento de fluencia de una muestra policristalina debemos tomar una muestra de tracción en buen estado y someterlo a una carga constante mientras se mantiene la temperatura constante a> 0.4Tm. La cepa en la muestra se representa como una función del tiempo.

9.9. Efecto de esfuerzo y temperatura

Cuando la temperatura aumenta en un metal o alguna aleación, estos disminuyen tanto su resistencia como su capacidad para soportar la fatiga, si la carga es constante se producirá una deformidad en la dureza del material y el material terminara fallando.

Por otra parte el el esfuerzo es un buen aliado de la temperatura si es que quieres hacer fallar a los materiales ya que cuando la temperatura aumente y al mismo tiempo se le aplica algún tipo de esfuerzo el metal va a terminar por fallar esto debido a la fatiga que genero.

9.10. Prueba de termofluencia-ruptura

Si el ensayo de fluencia se llevó a cabo a diferentes niveles de estrés y una temperatura constante y el tiempo de vida de ruptura medido, entonces será posible trazar la tensión requerida para el fracaso contra rotura de por vida a una temperatura constante. Algunas pruebas parecidas también pueden llevarse a cabo a diferentes temperaturas. Tanto el estrés y la vida útil de ruptura se representan gráficamente en una escala logarítmica.

10. Pruebas de fatiga10.1. IntroducciónLos materiales fallan cuando se exponen a tensiones repetidas, incluso si el nivel de estrés esta por debajo del limete de elasticidad. El fracaso a causa de tensiones repetidas por debajo del limete de elasticidad se llama fatiga. Las pruebas de fatiga son para detemrinar el numero de ciclos de tension en un nivel de tension dado que un material puede experimentar antes de fallas

(resistencia a la fatiga) el nivel de tensión por debajo del cual hay un 50% de probabilidad de que el fracaso nunca ocurra (límite de resistencia).Múltiples muestras de las pruebas se analizan en diferentes niveles de estrés y los resultados son compilados para formar una curva S-N.

Representación de una curva S-N de una prueba de fatiga.

10.2. DefinicionesFatiga: El fracaso a causa de tensiones repetidas debajo del limite elástico. Vida de la fatiga: El número de ciclos a un nivel de estrés que un material puede experimentar antes de fallar.Límite de resistencia: El nivel de tensión por debajo del cual hay un 50% de probabilidad de que nunca se produzca el fracaso. Prueba viga en voladizo: Método utilizado para determinar la fatiga por la alternancia de fuerzas de comprensión y de tracción en la muestra.

Cuerva S-N: Una curva de representación gráfica de los resultados de pruebas de varias muestras a diferentes niveles de tensión que se utilizan para determinar la fatiga, la vida de un material a un nivel dado de estrés.

10.3. Pruebas de fatigaUna prueba fatiga es aquel en el que la pieza está sometida a esfuerzos variables en magnitud y sentido, que se repiten con cierta frecuencia. Muchos de los materiales, sobre todo los que se utilizan en la construcción de máquinas o estructuras, están sometidos a esfuerzos variables que se repiten con frecuencia.

10.4. Mecanismos de falla por fatigaLa falla por fatiga tiene inicio de carácter local. Ella comienza con una grieta microscópica que no es posible de percibir a simple vista. Es más, aun utilizando técnicas de inspección como rayos X o ultrasonido es muy difícil localizar dichas microgrietas. Normalmente estas grietas se originan en puntos de discontinuidad del material, tales como un cambio brusco de sección, un canal, un orificio o hasta en alguna irregularidad causada por el maquinado, lo cual produce, concentración de esfuerzos. Una grieta puede también originarse al interior del material en una dislocadura intercristalina, por ejemplo, o en una irregularidad causada por el proceso de fabricación. Una vez formada la grieta, el esfuerzo variable la hace crecer y con ello aumenta su efecto concentrador de esfuerzos. Al crecer la grieta disminuye el área que soporta el esfuerzo y ello conlleva al crecimiento del esfuerzo neto. En algún momento el área ha disminuido tanto que ya no es capaz de soportar el esfuerzo y se rompe bruscamente.

10.5. Factores que afectan la resistencia a la fatiga de los materialesLos factores que es necesario tener en cuenta en la fatiga de los materiales para el diseño y las pruebas son:

Material Método de aplicación de cargas Geometría y condiciones superficiales Esfuerzos residuales Efectos medioambientales Nivel de esfuerzo medio

11. Prueba de fractura11.1. IntroducciónTodos los fracasos de los materiales resultan de la formación y propagación de una grieta, pero diferentes tipos de materiales responden a la formación de grietas de una manera bastante diferente. La mecánica de fractura permite mejorar el diseño de productos, así como procesos de

fabricación e inspección para controlar la propagación de defectos que podrían llevar al fallo de sus componentes, pero sin la necesidad de usar coeficientes de seguridad injustificados.

11.2. Tipos de fracturaTipos de fractura (basada en la capacidad del material de experimentar deformación plástica):

Fractura dúctil Fractura frágil

La ductilidad está cuantificada en % de alargamiento u estricción, velocidad de aplicación de la carga (o deformación) y estado tensional. Cualquier proceso de fractura está compuesto por dos etapas:

Formación de una fisura Propagación de la fisura

El modo de fractura depende del mecanismo de propagación de la grieta.

11.3. Fractura frágilCaracterísticas de una fractura frágil:

Poca o nula deformaciones plásticas en la vecindad de la grieta. Marcas en v cerca del centro de sección de fractura que apuntan hacia el lugar de

iniciación. La superficie de fractura contiene líneas o crestas que irradian desde el origen de la grieta

una forma similar a un abanico. El proceso tiene lugar rápidamente Grieta inestableLa dirección del movimiento de la grieta es casi perpendicular a la dirección de la tensión aplicada y produce una superficie de factura relativamente plana.

11.4. Fractura dúctilCaracterísticas de una fractura dúctil:

Muchas deformaciones plásticas en la vecindad de la grieta que avanza. El proceso tiene lugar lentamente. Grieta estable Evidencia de deformación plástica apreciable en la fractura.

La constatación de que ha habido una deformación plástica y, posteriormente una rotura no explica cuáles han sido los mecanismos de fallo, solo indica cuales han sido los modos de fallo.

.11.5. Tenacidad a la fractura Cuando el factor de intensidad de tensiones alcanza un valor crítico se denomina factor de intensidad de tensión crítico (Kic), tambien conocido como tenacidad a la fractura. El valor de Kic

puede obtenerse de ensayos de fractura para una condición en la cual la tensíon es la critica (σ =σer) y se considera una propiedad del material, está dada por:

El criterio de avance de una grieta en términos del factor de intensidad de tensiones está dado por las siguientes condiciones:Si Ki<Kic, entonces no hay extensión de grieta (estable)Si Ki-Kic, entonces posible extensión cuasi-estática de grietaSi Ki>Kic, entonces crecimiento dinámico de grieta (inestable)

BibliografíaMechanical Properties of Materials, Solid Mechanics and Its Applications, Volume 190, Joshua

Pelleg, 2013.Experimental Techniques in Materials and Mechanics, C. Suryanarayana, 2011.The Science and Engineering of Materials Donald R. Askeland, Pradeep P. Fulay, Wendelin J. Wright 2011.Essential of Modern Materials Science and Engineering, James Newell, 2008.