Propiedades Mecánicas de los Materiales: Ensayos de Tracción y Dureza

Ensayos de Tracción y Dureza: Determinación de Propiedades Mecánicas

Ensayo de Tracción

El ensayo de tracción se realiza sobre una probeta con forma y dimensiones normalizadas. Se aplica un esfuerzo axial creciente y se miden los alargamientos producidos en función de este esfuerzo. El esfuerzo se mide con una celda o célula de carga, mientras que los alargamientos se pueden medir por el desplazamiento del cabezal de la máquina o con un extensómetro.

Curva de Tracción Convencional o Ingenieril

En la curva de tracción convencional se distinguen tres zonas:

• Zona elástica
• Deformación plástica homogénea
• Estricción

La fuerza necesaria para deformar la probeta depende de su sección y el alargamiento de su longitud inicial. Para normalizar los resultados, se utiliza la resistencia o carga unitaria (R = F/S₀) y la deformación unitaria (e = Δl/l₀).

Propiedades Determinadas en el Ensayo de Tracción

• Límite elástico (R_e o R_p): Resistencia mínima necesaria para producir una deformación plástica (permanente).
• Resistencia mecánica o a la tracción (R_m): Resistencia máxima soportada por la probeta en el ensayo.
• Módulo de elasticidad o de Young (E): Constante de proporcionalidad entre la resistencia y la deformación en la zona elástica (R = E·e). Representa la rigidez del material.
• Alargamiento a rotura (A): Aumento de la distancia entre puntos después de la rotura. Representa la ductilidad del material.
• Reducción en área (Z): Diferencia entre el área de la sección inicial y el área mínima en la fractura tras la rotura.

Diagrama de Tracción Racional o Verdadero

El diagrama ingenieril subestima la carga que soporta la probeta, ya que el área disminuye progresivamente durante el ensayo. Ambos diagramas coinciden para valores bajos de deformación.

Ensayo de Dureza

La dureza es la resistencia que oponen los materiales a ser rayados o penetrados por otros. Es una propiedad local, a diferencia del ensayo de tracción, donde se analiza toda la sección de la muestra. En el ensayo de dureza, solo se analiza la zona alrededor de la huella o raya realizada.

Ensayo de Rayado

Ensayo Marten: Se utiliza una punta de diamante a la que se le aplica una carga constante y se mueve rectilíneamente sobre la probeta. Se mide la anchura de la raya (a) en µm.

Ensayo de Rebote

Ensayo Shore: Se basa en la dureza elástica. Cuanto más dura es la probeta, más alto rebota el martillo. No marca la probeta y se utiliza en materiales plásticos, rodillos de laminación, etc.

Métodos de Indentación

• Método Rockwell:

  • Utiliza diferentes escalas en función del indentador y la carga aplicada.
  • Dos tipos de indentadores: punta de diamante o bola de acero templado o CW.
  • La carga se aplica en dos etapas.
  • La dureza se determina en función de la profundidad de la huella y la proporciona el equipo.
  • La superficie de la muestra debe ser plana (no pulida) y normal a la dirección de aplicación de la carga. En piezas cilíndricas, se introducen correcciones normalizadas.
  • Se realizan tres ensayos por medida.
  • Espesor mínimo de la pieza: 8e-10e (e: profundidad).
  • Distancia mínima entre huellas: 2.5 veces el diámetro de la huella.

• Método Brinell:

  • La dureza se determina en función del diámetro de la huella.
  • Indentador: bola de acero o CW (actualmente admitido) con diámetros D = 10, 5, 2.5, 1.25 mm.
  • La superficie de la muestra debe ser plana (no pulida) y normal al eje de carga.
  • Para comparar medidas, se debe mantener la relación k = F/D².
  • Dependencia del tiempo de aplicación: 30s para aceros y cobres, 120s para el resto.
  • Espesor mínimo de la pieza: 10f (f: profundidad de la huella).
  • Distancia mínima entre huellas: 2.5 veces el diámetro de la huella.
  • La dureza se expresa como: (Valor obtenido) HB D/F/t. Ejemplo: 250 HB 10/3000/30.
  • Las condiciones del ensayo varían en función del material y/o la dureza.

• Método Vickers:

  • Indentador: pirámide recta de base cuadrada de diamante.
  • La dureza se determina en función de las diagonales de la huella. Hasta 250 HV, coincide con HB.
  • Cargas habituales: 1 kg-120 kg; microdurezas: 15 g-1000 g.
  • La superficie de la muestra debe ser plana y pulida, normal al eje de carga. En superficies curvas, se utilizan cargas muy pequeñas o se aplican correcciones normalizadas.
  • Permite medir durezas de las fases por separado.
  • Espesor mínimo de la pieza: 1.5d (d: diagonal de la huella).
  • Distancia mínima entre huellas: 2.5d.
  • La dureza se expresa como: (Valor obtenido) HV F/t. Ejemplo: 750 HV 30/15.

• Método Knoop:

  • Indentador: pirámide recta de base rómbica de diamante (en la huella, las diagonales están en relación 7:1).
  • La dureza se determina en función de la diagonal mayor de la huella.
  • Permite medir durezas según direcciones preferentes.
  • Aconsejable para medir capas finas y recubrimientos.
  • La dureza se expresa como: (Valor obtenido) HK F/t. Ejemplo: 750 HK 30/15.

Comparación de Métodos de Dureza

• Brinell: Huella grande, útil en superficies grandes. Ventajoso en materiales no homogéneos o con superficie no uniforme. Medida subjetiva y no válido por encima de 500 HB (650 HB con bola de CW).
• Rockwell: Rápido y sencillo. Permite usar muestras pequeñas. Válido para materiales duros o blandos. Emplea diferentes escalas.
• Vickers: Permite usar cargas pequeñas (secciones delgadas). Medida con mayor exactitud que Brinell. Escala única para todos los materiales. Permite medir durezas de fases por separado. Ideal para laboratorio. Preparación de la muestra laboriosa (pulido).