Propiedades mecánicas de los materiales: ensayos de tracción, dureza y resiliencia

Propiedades Fundamentales de los Materiales

A continuación, se describen las principales propiedades mecánicas que definen el comportamiento de los materiales:

• Elasticidad: Es la capacidad que tienen los materiales de recuperar su forma primitiva cuando cesa la carga que los deforma.
• Plasticidad: Es la capacidad que tienen los materiales de adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura. Cuando esta deformación se presenta en forma de láminas se denomina maleabilidad, y si se presenta en forma de hilos se denomina ductilidad.
• Cohesión: Es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse y depende del enlace entre ellos. Los átomos de los metales se pueden separar un poco, de ahí su elasticidad.
• Dureza: Es la mayor o menor resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados.
• Tenacidad: Es la capacidad de resistencia a la rotura por la acción de fuerzas exteriores.
• Fragilidad: Es la propiedad opuesta a la tenacidad.
• Resistencia a la fatiga: Es la resistencia que ofrece un material a los esfuerzos repetitivos.
• Resiliencia: Es la energía absorbida por un material antes de la rotura por impacto.

Ensayo de Tracción

Este ensayo mecánico consiste en someter una probeta de forma y dimensiones normalizadas a un sistema de fuerzas exteriores en la dirección de su eje longitudinal hasta romperla.

Tipos de Probetas

• Probetas cilíndricas: Utilizadas para ensayos con materiales forjados, fundidos o barras.
• Probetas planas: Empleadas en planchas de espesores medios y pequeños.

Análisis del Diagrama de Tracción

El diagrama de tracción se divide en varias zonas clave que definen el comportamiento del material:

Zona Elástica (OE)

Se caracteriza porque, al cesar las tensiones aplicadas, los materiales recuperan su longitud inicial.

• Zona de Proporcionalidad (OP): Se trata de una recta, por lo tanto, existe una proporcionalidad entre las tensiones aplicadas y los alargamientos unitarios. Es la zona donde deben trabajar los materiales.
• Zona No Proporcional (PE): El material se comporta de forma elástica, pero las deformaciones y tensiones no están relacionadas linealmente.

Zona Plástica (ES)

Se ha rebasado la tensión del límite elástico, de tal forma que, aunque dejemos de aplicar tensiones de tracción, el material ya no recupera su longitud inicial.

• Zona Límite de Rotura (ER): El límite de esta zona es el punto R. A partir de este punto, el material se considera roto, aunque no se produzca rotura visual.
• Zona de Rotura (RS): Superado el punto R, se produce la rotura física en el punto S.

Ley de Hooke

Los alargamientos unitarios son proporcionales a las tensiones que los producen, siendo la constante de proporcionalidad el módulo elástico.

Ensayo de Dureza

El ensayo de dureza mide la resistencia de un material a ser penetrado o rayado. Existen varios métodos estandarizados:

Ensayo Brinell

Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, contra el material a ensayar, por medio de una carga y durante un tiempo determinado. Este ensayo tiene sus limitaciones: si se aplica a materiales de espesores inferiores a 6 mm, con una bola de 10 mm de diámetro, se deforma el material y los resultados no son válidos.

Ensayo Vickers

Para este ensayo, el penetrador a usar tiene forma piramidal de base cuadrada, cuyas caras laterales forman un ángulo de 136º. Es válido tanto para materiales duros como blandos.

Ensayo Rockwell

El método Brinell no permite medir la dureza de los aceros templados porque las bolas se estropean. Para evitar esto, se usa la máquina Rockwell, la cual se basa también en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados. A diferencia de los anteriores, se determina la dureza en función de la profundidad de la huella. Es menos preciso que los métodos anteriores.

Normas para el Ensayo Rockwell

1. Se aplica una carga de 10 kp al penetrador hasta que se hace una pequeña huella. Se mide su profundidad, que se toma como referencia.
2. Se aumentan las cargas en 90 kp para el penetrador de bola y 140 kp para el de cono. Se mantiene la carga un tiempo comprendido entre 3 y 6 segundos y se mide la profundidad.
3. Se retiran las cargas adicionales. El penetrador se recuperará y ascenderá hasta la posición h1+e. Al dejar de aplicar las cargas adicionales, permanecen únicamente las deformaciones permanentes, cuyo valor es e.

Ensayo de Resiliencia

La finalidad del ensayo de resiliencia es la determinación de la energía absorbida por una probeta de determinadas dimensiones al provocar su ruptura de un solo golpe.

Péndulo de Charpy

La máquina que más se usa es el péndulo de Charpy. Consta de una base rígida con dos soportes verticales, unidos en la parte superior por un 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.