Comportamiento de los materiales- (84:04;64:03)-Máquinas, ensayos y extensometría-1/11
UBA
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE ESTABILIDAD
COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES (64:03)
MAQUINAS, EQUIPOS, INSTRUMENTOS, PROBETAS Y
EXTENSOMETRIA PARA ENSAYO DE MATERIALES
Ensayos mecánicos
En la determinación de las propiedades mecánicas de un material se vinculan las variables
reológicas Tensión, Deformación y Tiempo para establecer los diferentes respuestas según el
material evaluado. Si el tiempo de duración del ensayo es suficientemente corto, se trata de
Ensayos estáticos y se evalúa la relación entre tensiones y deformaciones. Si el ensayo se realiza
a tensión constante, se evalúa la variación de deformación en el tiempo (ensayos de creep o
fluencia lenta) y si se realiza a deformación constante, se evalúa la variación de tensión en el
tiempo (ensayos de relajación). Cuando el tiempo de ensayo es muy corto (milisegundos), se trata
de ensayos dinámicos de impacto y suele evaluarse en términos de energía al no poder medirse
las deformaciones producidas. Un caso particular son los ensayos dinámicos de fatiga, realizados
a tensiones variables.
Variables reológicas
Ensayo tipo
σ
σσ
σ
ε
εε
ε
t Tipo de ensayo
Variable Variable → 0 Estático
Constante Variable Variable Creep
Variable Constante Variable Relajación
En general, se los clasifica por el tipo de solicitación a la que se somete el material, que puede ser
simple (tracción, compresión, flexión, torsión o corte) o compuesta (flexo-compresión, flexo-
torsión, etc.), y también por la propiedad o aptitud que se desea medir o evaluar (dureza,
aplastamiento, embutido, etc.).
Es así que con máquinas especialmente diseñadas pueden lograrse ensayos donde:
a) las deformaciones crecen lentamente hasta alcanzar un valor máximo o falla del material:
ENSAYOS ESTATICOS
b) las deformaciones crecen bruscamente hasta la rotura del material: ENSAYOS DE
IMPACTO
c) las cargas o las deformaciones se imponen en forma repetida, siendo variables entre dos
valores de igual o distinto signo, con el transcurso del tiempo: ENSAYOS DE FATIGA
d) las cargas o las deformaciones impuestas permanecen constantes en un determinado
valor con el transcurso del tiempo: ENSAYOS DE CREEP Y ENSAYOS DE RELAJACION
e) se evalúa una aptitud tecnológica en particular (aplastamiento en tubos, plegado en barras,
etc.): ENSAYOS TECNOLOGICOS
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Máquinas de ensayo
Son máquinas destinadas a reproducir casos simples de solicitación sobre probetas en
condiciones especiales, definidas por el tipo de material y su función en servicio, con el objeto de
estudiar o verificar su comportamiento.
En el siguiente cuadro se resume una clasificación general de máquinas de laboratorio.
Estáticas
Universales
Dinámicas
MAQUINAS
Compresión/Tracción
Torsión
Fatiga
Específicas Impacto Péndulo
Caída libre
ENSAYOS Creep o fluencia
MECANICOS lenta
Standard
Brinell
Durómetros Rockwell
Vickers
Superficial
Microdureza
SISTEMAS Estáticas
DE CARGAS
MULTIPLES Dinámicas
En el caso que una máquina realice más de un tipo de solicitación o ensayo, se la denomina
Maquina Universal.
Toda máquina de ensayo está constituida fundamentalmente por dos partes esenciales:
1. Dispositivo de accionamiento, por el cual se imponen o ejercen las deformaciones
2. Dispositivo de medición de fuerzas o sistema dinamométrico
Dispositivos de accionamiento
Según su sistema de accionamiento se clasifican en:
a) Mecánicas
La generación de fuerzas o cargas importantes (o mejor dicho, deformaciones en las distintas
probetas, ya que la carga que se mide es la "reacción de la probeta a ser deformada") puede
lograrse utilizando distintos mecanismos simples: palancas, tornillos, etc. Los sistemas de
palancas son útiles cuando la carga se mantiene fija en el tiempo y está predeterminada de
antemano (ensayos de dureza y ensayos de creep, por ej.). Los sistemas de tornillo consisten en
un cabezal que se desplaza en forma paralela guiado por dos "tornillos". El accionamiento es por
medio de un motor eléctrico y puede realizarse en ambos sentidos. Esto permite diseñar máquinas
universales de un solo espacio, esto es, que en el mismo lugar físico pueden realizarse ensayos
de compresión y tracción intercambiando los elementos de aplicación de la carga (platos y
mordazas respectivamente).
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b) Hidráulicas
En este caso, se generan fuerzas aplicando el principio de Pascal de la balanza hidrostática. La
presión del sistema puede utilizarse para determinar la reacción de la probeta (la "carga")
utilizando un manómetro adecuado. Aunque tienen gran simplicidad constructiva y permiten su
graduación en distintas escalas, tienen el inconveniente que el pistón móvil sólo aplica esfuerzos
en un sentido (aumento de presión) por lo que se necesitan dos espacios para conformar una
máquina universal. En uno se realizan los esfuerzos de tracción y en el otro, los de compresión.
Existen también máquinas con pistón de doble efecto, que permite la ejecución de ensayos de
tracción y compresión en el mismo espacio, así como también la generación de esfuerzos cíclicos
(fatiga). El auxilio de una servoválvula es útil para controlar una de las variables (carga,
deformación o desplazamiento del pistón) durante el tiempo que dura el ensayo. En estos casos
es necesario fijar a priori las condiciones en que se realizará, corrigiéndose automáticamente
cualquier diferencia de velocidad de la variable elegida. En general, las normas establecen la
velocidad a la que debe realizarse el ensayo y la presencia de un servocontrol garantiza la
independencia de esta variable del operador.
Sistemas de medición de fuerzas o sistemas dinamométricos
Son los dispositivos que miden las fuerzas resultantes sobre las probetas como respuesta a las
deformaciones impuestas por las máquinas de ensayo.
Independientemente de la sofisticación electrónica en la indicación analógica o digital, se pueden
clasificar según el dispositivo de medición:
a) Por la deformación de un elemento elástico:
- Resortes calibrados
- Anillos dinamométricos
- Barras de torsión
En todos los casos se trata de elementos interpuestos en serie con la probeta que se comportan
según una ley conocida (preferentemente en forma lineal). La lectura de la deformación de estos
elementos, perfectamente elásticos en su rango de utilización, permite determinar el valor de las
cargas.
b) Por la aplicación del principio de la palanca:
A péndulo: las distintas posiciones de equilibrio de un péndulo conectado al sistema de aplicación
de la carga permite establecer el valor de dicha carga, calculando el equilibrio de momentos
alrededor del eje de giro.
Estos sistemas son de gran simplicidad y muy durables, pudiendo establecerse distintas escalas
por cambio en la masa y/o longitud de un péndulo dinamométrico.
En la práctica, se amplifica el giro del péndulo mediante un sistema de engranajes y se lee la
carga directamente en el cuadrante. La linealidad entre cargas y deformaciones sólo se verifica
para pequeños ángulos de desplazamiento. Además contemplan una regulación del cero de la
escala pues al tratarse de un péndulo físico y no matemático (ideal), los cambios en la longitud o
masa inducen una variación en la posición real del baricentro, mediante un contrapeso.
En la figura se observa un esquema de máquina hidráulica con sistema de medición a péndulo
dinamométrico.
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c) Por medición de la presión de un fluido:
Mediante una bomba se genera una presión p que hace que suba un pistón. Al interponerse el
elemento a ensayar las deformaciones impuestas resultan en una fuerza que por el Principio de
Pascal es la integral de la presión por el área conocida S.
F = ∫ p.dS
Pueden ser:
- A cápsula hidráulica (cápsulas de Vidi)
- Tubos de Bourdon
Elementos de verificación o contraste
Se utilizan en forma periódica con el fin de comprobar el perfecto valor de las indicaciones
dinamométricas de las máquinas de ensayo, dentro del error admitido por las normas. Para ello
existen:
a) Cajas de mercurio: Los valores indicados de las cargas se comparan con la variación de
volumen, perfectamente calibrada, que experimenta dentro del período de proporcionalidad, un
cilindro de acero que contiene mercurio. El volumen de mercurio que entra o sale por efecto de las
cargas de tracción o compresión representa una medida de los valores de las fuerzas aplicadas.
b) Aros de contraste: Bajo la acción de cargas de tracción de compresión, estos anillos de acero
sufren deformaciones elásticas proporcionales a dichas fuerzas que pueden medirse con mucha
precisión por distintos métodos.
c) Celdas de carga: Los valores de comparación de las cargas se obtienen cuando las señales
producidas por calibres eléctricos colocados sobre elementos elásticos, experimentan
deformaciones que se traducen en variaciones de su resistencia óhmica. Estas, suficientemente
amplificadas, indican finalmente cargas.
d) Pesas calibradas: Cuando pueden usarse, las pesas calibradas representan un medio de
verificación muy simple. Se trata de pesas de 25 kg con un error de 5 g y su uso resulta adecuado
sólo para máquinas de poca capacidad con dispositivos dinamométricos que actúen por cargas
descendentes.
F
S p
p
p
0
PISTÓN
DE LA
PRENSA
PISTÓN DEL
PÉNDULO
MASA DEL PÉNDULO
DINAMOMÉTRICO
m.g
INYECCIÓN DE ACEITE
BRAZO DEL PÉNDULO
DINAMOMÉTRICO
L
α
αα
α
F
F
CILINDR
O DE LA
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Probetas de ensayo
La probeta es el elemento que ser sometido a ensayo y, por lo tanto, puede ensayarse los
siguientes elementos:
a) una estructura completa o una pieza;
b) un modelo a escala de la pieza;
c) un trozo del producto mecanizado o no, en función de la naturaleza del material, tamaño y tipo
de solicitación.
Distintos tipos de probetas
Tracción: Por lo general poseen extremos ensanchados (calibradas) para facilitar su fijación a la
máquina, si bien existen productos como alambres, hilos, cables, sogas o tubos donde no se da
dicha condición, por lo que la probeta consiste directamente en un trozo del producto (industrial).
En el caso de materiales metálicos o plásticos, las probetas pueden ser moldeadas o
mecanizadas, de sección circular o rectangular y por su cabeza de fijación pueden ser probetas de
cabezas simples, cilíndricas o planas, de cabezas roscadas o de cabezas calzadas o con resalto.
Compresión: Generalmente se adoptan con forma cilíndrica por no presentar el "efecto de forma"
que tiene lugar en las aristas de las probetas prismáticas o cúbicas, no obstante en algunos
materiales anisótropos como la madera, estos ensayos se realizan sobre probetas prismáticas.
Para materiales metálicos que trabajan soportando cargas normales con espesores reducidos, se
emplean probetas cuya relación altura/diámetro es igual a la unidad, para ensayos generales de
diversos materiales se suele utilizar una relación de esbeltez igual a 2 y menor que 4.
Flexión: las probetas actúan como vigas simplemente apoyadas donde la distancia entre apoyos
se ha normalizado en función de la altura o diámetro de la sección transversal. Las solicitaciones
pueden realizarse por carga centrada (flexión simple) o por carga en los tercios de la luz (flexión
pura), determinándose el Módulo de rotura a flexión.
Torsión: Estas probetas son de sección circular, ya sea maciza o hueca, pudiendo construirse
con extremos ensanchados a veces de sección cuadrada para su fijación en la máquina de
ensayo.
Corte: Para metales se utilizan generalmente probetas cilíndricas que, colocadas en dispositivos
especiales, transmiten la carga mediante cuchillas que actúan sobre dos secciones
simultáneamente (corte doble). En cambio para ensayos de maderas, se utilizan probetas
prismáticas con una sola sección de corte (corte simple).
Impacto: para materiales metálicos y plásticos, estos ensayos se realizan por flexión utilizándose
probetas prismáticas de distintas medidas y con o sin entalladuras de diversas formas, con el
objeto de crear estados triaxiales de tensión con concentración de tensiones, provocando un
comportamiento frágil del material.
Dureza: La probeta debe tener un espesor adecuado y sus caras serán perfectamente planas y
con un grado de pulimento de acuerdo con el método empleado. Para este tipo de determinación
es común emplear a la pieza como probeta de ensayo.
Fatiga: Las probetas de fatiga exigen una particular atención a la forma, tamaño y terminación
superficial para los distintos tipos de solicitación. En estos ensayos, cuando se quiere verificar el
comportamiento del material y de la forma de la pieza, la probeta consiste en la propia pieza.
Fluencia lenta y relajación: Las probetas son cilíndricas de longitudes calibradas variables y
cabezas roscadas, ya que estos ensayos suelen realizarse a temperaturas altas y con
solicitaciones axiles para materiales metálicos. En cambio para materiales compuestos como el
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hormigón, estos ensayos se realizan por flexión con probetas prismáticas y a compresión con
probetas cilíndricas.
Ensayos tecnológicos: Dada la gran variedad de ensayos de este tipo, donde en la mayoría de
los casos el resultado consiste en aprobar o rechazar la aptitud de un material o producto en
condiciones de ensayo muy particulares, es imposible definir un tipo de probeta o una
característica común a todas ellas.
Instrumentos
De medición
Con ellos se determinan las medidas previas de las probetas y en algunos casos también las
posteriores al ensayo:
- Reglas milimetradas;
- Calibres a vernier regulables;
- Tornillos micrométricos;
- Microscopios de medición.
Extensómetros
Son instrumentos que miden las deformaciones que se producen durante el ensayo, cuya
clasificación suele realizarse en función del principio de funcionamiento:
a) Mecánicos: Se usan exclusivamente para determinaciones bajo cargas estáticas.
A dial o comparador
: Son instrumentos de lectura directa (Amsler, Whittemore) o con palanca
multiplicadora (Moore). Son de fácil montaje y uso muy difundido para ensayos de laboratorios e
"in situ" (por ejemplo: pruebas de carga de una estructura en uso). En la Figura Nº 1 se observa el
esquema de un instrumento de este tipo. Está compuesto por una varilla cuyo desplazamiento es
ampliado por un mecanismo de relojería que hace girar dos agujas. Estas miden en diferentes
escalas pero una múltiplo de la otra. En flexión mide directamente flechas y se puede adaptar para
medir acortamientos o alargamientos en ensayos de compresión y tracción.
A palancas: El principio básico de los extensómetros de este tipo consiste en amplificar los
desplazamientos relativamente pequeños hasta valores apreciables a simple vista. Los requisitos
para estos instrumentos son: facilidad de lectura y montaje, sensibilidad, exactitud, repetibilidad y
respuesta dinámica. El uso de palancas mecánicas requiere el contacto de dos puntas afiladas en
la superficie a ensayar. La distancia entre ellas se llama "longitud base para medida de
alargamientos". Para garantizar la repetibilidad de los resultados se exige que las diferentes
partes del extensómetro sean lo más ligeras posible, de manera que las fuerzas de fricción sean
mínimas. Un ejemplo del extensómetro de palanca simple es el Berry.
En la Figura No 2 se observa el caso de un extensómetro de palancas múltiples (Huggenberger)
en el cual la cuchilla 'A' es fija, mientras que la 'B', que forma parte de la palanca 'H', gira
alrededor del pivote inferior, empujando a la barra 'I' contra la aguja indicadora. La deformación
amplificada ∆l' surge de la relación siguiente:
∆l’ = (w
2
/ w
1
) ∆s
∆s = (v
2
/ v
1
) ∆l
∆l' = (w
2
/ w
1
) (v
2
/ v
1
) ∆l
∆l = (w
1
/ w
2
) (v
1
/ v
2
) ∆l'
donde 'l' es la lectura en la escala. La distancia entre la cuchilla e y la f es la longitud base de
medida que puede ser variar entre algunos mm hasta 40 mm.
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b) Eléctricos: Son instrumentos registradores de las deformaciones en función de la variación de
algún parámetro eléctrico debidamente amplificado y traducido, que pueden ser utilizados bajo
cargas repetidas a lo largo del tiempo además de cargas estáticas. Se los clasifica en función de
las características eléctricas que se modifica con la variación de la longitud de referencia en: de
inductancia variable, de capacidad variable, de resistencia óhmica variable, piezoeléctricos,
fotoeléctricos, etc., si bien los más usados son los de inductancia y resistencia óhmica variable.
Una de las ventajas de los extensómetros eléctricos es la posibilidad de medir deformaciones en
distintas direcciones y a distancia, ocupando espacios reducidos. Las desventajas son que el
extensómetro es descartable y la necesidad de un adiestramiento especial para realizar el
pegado, del cual depende la exactitud de la medición.
De inductancia variable
: Están constituidos por una bobina en la que circula una corriente
eléctrica, experimentando cambios en su campo magnético cuando varía la longitud de la probeta
sometida a deformación. Este tipo de extensómetro es en realidad electromecánico y se clasifican
por el método empleado para variar la impedancia: de entrehierro variable, con núcleo de hierro
móvil, a corrientes de Foucault y por magneto-estricción. Un esquema del principio de
funcionamiento se muestra en la Figura N° 3.
De resistencia óhmica variable (de estampilla o strain gauge)
: Son los más utilizados y versátiles.
Se basan en el fenómeno por el cual un conductor varía su resistencia óhmica al variar sus
medidas por efecto de la deformación impuesta. Están constituidos por un alambre o lámina
metálica que adopta la forma de una grilla para aumentar la longitud y así hacer más sensible la
variación de la resistencia óhmica (Figura Nº 4).
Generalmente la grilla se adhiere a un elemento base que le sirve de sostén y aislador. La
variación de resistencia se mide por medio de un Puente de Wheatstone (Figura Nº 5). El
extensómetro activo está pegado a la estructura y conectado a una rama del puente. Sobre la
rama opuesta se conecta un extensómetro "compensador" que se pega sobre el mismo material
que está siendo ensayado, sometido a la misma temperatura pero no a las cargas. De esta
manera se compensan las variaciones de temperatura que pueda sufrir la pieza a ensayar, ya que
en el puente se anulan mutuamente por estar conectados a ramas opuestas.
En algunos casos de estados biaxiales de tensiones se utilizan extensómetros simples
superpuestos sobre una misma base llamados "rosetas".
c) Extensómetro acústico o de cuerda vibrante: Este tipo de instrumentos consiste en una
cuerda vibrante que se encuentra protegida dentro de un armazón metálico. Esta cuerda se acorta
o se alarga junto con la pieza cuyas deformaciones se quiere registrar. Al variar la longitud de la
cuerda, varía la tensión aplicada a la misma y, por lo tanto, la frecuencia de resonancia. Se utiliza
en la auscultación de elementos estructurales a largo plazo y en ensayos especiales de
laboratorio. Pueden ir inmersos en la masa o adosados a la superficie de la probeta o estructura y
conectados a una central de lectura que traduce la frecuencia de vibración de la cuerda. En la
Figura N° 6 se observa un esquema típico.
d) Ópticos: Son instrumentos exclusivamente de laboratorio y por su gran sensibilidad se los
utiliza en determinaciones que requieran gran exactitud. El más conocido es el de espejos de
Martens. El problema en las articulaciones y el peso de palancas de gran longitud de los
extensómetros mecánicos, se soluciona mediante la amplificación por medio de rayos visuales,
que es el principio en que se basan estos extensómetros, aprovechando además que el ángulo
entre el rayo incidente y el reflejado es el doble del girado por el espejo. De acuerdo con la Figura
Nº 7, supongamos inicialmente que la escala y el espejo sean paralelos, que el anteojo está a la
misma altura del espejo y, por lo tanto, el rayo visual incide perpendicularmente. Si la probeta
sufre un alargamiento ∆L, el espejo gira un pequeño ángulo α relacionado con ∆L. Por una
relación de semejanza se puede establecer que:
∆l = S ∆l = b*S
ε
= b * S
b 2d 2d 2d*B
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Accesorios más utilizados en ensayos mecánicos
a) Registradores X-Y: Mediante las señales emanadas de celdas de carga y de los
extensómetros eléctricos, estos instrumentos permiten registrar el trazado de gráficas de cargas
versus deformaciones con distintas magnificaciones para cada tipo de ensayo. En muchas
máquinas de ensayo, se trata de equipos integrados a ellas donde las señales de carga se
transmiten mecánicamente mediante una corona dentada montada en el eje de la aguja
indicadora sobre la cual se mueve una cremallera que traza la curva de ensayo sobre un tambor
registrador que gira proporcionalmente a la deformación producida en la probeta.
b) Hornos eléctricos: Estos elementos se utilizan para la realización de ensayos a temperaturas
mayores que la ambiente, llegando generalmente hasta 800 °C o 1000 °C, que se montan en la
máquina de ensayo conteniendo a la probeta.
c) Cámaras frías: Algunos ensayos requieren obtener resultados a bajas temperaturas (hasta –
180°C), lo que se obtiene sumergiendo la probeta en un medio refrigerante como por ejemplo
nitrógeno líquido o mezclas de alcohol etílico y anhídrido carbónico sólido, y estos equipos pueden
usarse acoplados a la máquina de ensayo o próximos a ella en el caso que la probeta se enfríe en
cámara y se ensaye fuera de ella.
d) Cámaras para corrosión: Algunos ensayos de fatiga requieren el uso de medios corrosivos
como por ejemplo agua dulce o salada u otros líquidos, y estos dispositivos se acoplan
directamente a la máquina conteniendo a la probeta de ensayo.
Normas de ensayo, especificaciones y reglamentos
A los efectos de poder comparar los resultados obtenidos en ensayos realizados por distintos
laboratorios, con diferentes equipos y por diversos operadores, se deben fijar con precisión las
condiciones de ensayo, las que están redactadas por entidades especializadas de carácter
nacional e internacional. De esta manera se establecen los criterios de aceptación y rechazo de
los materiales. En nuestro medio esta tarea es realizada por el IRAM - Instituto Argentino de
Normalización con sede en la calle Perú 552 - Buenos Aires (www.iram.com.ar). Se indican a
continuación otras normas y reglamentos muy utilizados:
ISO: International Standard Organization UNI: Ente Nazionale Italiano de Unificazione
ASTM: American Society for Testing and Materials BSI: British Standards Institution
SAE: Society of Automotive Engineers AFNOR: Association Francaise de Normalisation
EN: Normas europeas DIN: Deutscher Normenausschuss
API: American Petroleum Institute UNE: Instituto Nacional de Racionalización del
Trabajo (España)
COPANT: Comité Panamericano de Normas
Técnicas
ACI: American Concrete Institute (Códigos y
Recomendaciones sobre temas variados)
CEB: Comité Europeo del Hormigón Proyecto CIRSOC 201:2002: En discusión pública.
Aprobación prevista 2005
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Figuras
Figura Nº 2: Extensómetro de palancas Huggenberger
Figura N º 1: Varilla (3) cremallera (7) piñón (8) aguja medidora de mm
y rueda dentada (9) segunda aguja centesimal y piñón (10) resorte (12)
(6) muelle en espiral (11)
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Figura Nº 3: Extensómetro de inductancia variable
Figura Nº 4: Strain gauge o extensómetro de resistencia óhmica variable (de estampilla)
Figura Nº 5: Puente de Wheatstone
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Figura Nº 6: Extensómetros de cuerda vibrante de inmersión de 30 cm y 15 cm de longitud efectiva
Figura Nº 7: Extensómetro de espejos de Martens
Anteojo
Escala
graduada
Rayo reflejado para
carga 0
Rayo reflejado para
carga F
Espejo
F
F
Probeta
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