Propiedades Mecánicas de los Materiales: Ensayo de Tracción y Dureza

Propiedades Mecánicas de los Materiales

Introducción

Las propiedades mecánicas de los materiales describen su comportamiento bajo la acción de fuerzas externas. Estas propiedades son fundamentales para seleccionar el material adecuado para una aplicación específica. Algunas de las propiedades mecánicas más importantes son:

Propiedades Elásticas y Plásticas

Elasticidad: Es la capacidad de un material para recuperar su forma original después de que se elimina la fuerza que lo deforma. Si se supera el límite elástico, la deformación es permanente.
Plasticidad: Es la capacidad de un material para deformarse permanentemente sin romperse. Cuando estas deformaciones se presentan en forma de láminas se denomina maleabilidad, y si se presentan en forma de filamentos, ductilidad.

Otras Propiedades Mecánicas

Cohesión: Es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse y depende de su enlace. Los átomos de los metales pueden separarse ligeramente, de ahí su elasticidad.
Dureza: Mayor o menor resistencia que ofrecen los cuerpos a ser rayados o penetrados, dependiendo por tanto de la cohesión atómica.
Fragilidad: Oposición a la tenacidad. En estos materiales el intervalo plástico es muy corto, y por lo tanto sus límites elásticos y de rotura están muy próximos. Se caracteriza por la rotura en pequeños trozos de la pieza.
Tenacidad: Es la capacidad de resistencia a la rotura por la acción de fuerzas exteriores.
Resistencia a la fatiga: Es la resistencia que ofrece un material a los esfuerzos repetitivos.
Resiliencia: Es la energía absorbida en una rotura por impacto.

Ensayo de Tracción

Un ensayo de tracción consiste en someter una probeta de forma y dimensiones normalizadas a un sistema de fuerzas exteriores (esfuerzos de tracción) en la dirección de su eje longitudinal hasta romperla. Las probetas empleadas también están normalizadas y su construcción está regulada por normas UNE. Para la realización del ensayo de tracción se emplean máquinas de tracción que someten a las probetas a esfuerzos de tracción creciente en todas las secciones transversales y registran las fuerzas aplicadas a la probeta y las deformaciones o alargamientos producidos.

Los resultados obtenidos en la realización del ensayo de tracción se representan en una gráfica, donde se indican los valores de tensión frente a los de la deformación producida. A continuación podemos observar un diagrama de tracción característico de este tipo de ensayo.

Zonas del Diagrama de Tracción

Zona elástica (OE): Se caracteriza porque al cesar las tensiones aplicadas los materiales recuperan su longitud y formas iniciales.
- Zona de proporcionalidad (OP): Dado que es una recta, existe una proporcionalidad entre las tensiones aplicadas y los alargamientos unitarios. Matemáticamente: σ = cte ·ε. Esta es la zona donde deben trabajar los materiales sometidos a esfuerzos de tracción.
- Zona no proporcional (PE): El material se comporta de forma elástica, pero las deformaciones y las tensiones no están relacionadas linealmente.
Zona plástica (ES): Rebasado el límite de tensión elástico σ_E el material ya no recupera su longitud inicial, sufriendo por tanto el material deformaciones permanentes.
- Zona límite de rotura (ER): Es una zona de comportamiento similar a la anterior, donde pequeñas variaciones de la tensión aplicada producen grandes alargamientos. La diferencia con la anterior, es que los materiales no tienen comportamiento elástico, ya que superamos el límite elástico. El límite de esta zona es el punto R, llamado límite de rotura y la tensión aplicada en este punto tensión de rotura. A partir de este punto podemos considerar que el material está roto, aunque no lo observemos físicamente.
- Zona de rotura (RS): Superado el punto R, aunque se mantenga constante o disminuya la tensión aplicada, el material sigue alargándose progresivamente hasta que rompe físicamente en el punto S.

Comportamiento del Acero

Si bien podemos generalizar este comportamiento de los materiales, existen algunas excepciones como la del acero. Este presenta la peculiaridad de que por encima del límite elástico se produce un alargamiento muy rápido sin que varíe la tensión aplicada. Este fenómeno se conoce como fluencia dado que el material fluye sin causa aparente. El punto donde comienza este fenómeno se denomina límite de fluencia (F) y la tensión como tensión de fluencia.

Ley de Hooke

La ley de Hooke dice: las deformaciones producidas en un elemento resistente son proporcionales a las tensiones que las producen. Matemáticamente: tensión / deformación = cte = tag α

Como vimos en los ensayos de tracción anteriores, existe una zona de proporcionalidad OP que verifica la linealidad entre las tensiones aplicadas y las deformaciones sufridas. Así, y de la ley de Hooke, concluimos que: E = constante = E = tag α

Ensayo de Dureza Rockwell

El método Brinell no permite medir la dureza de los aceros templados porque se deforman las bolas. Para evitar este hecho se emplea la máquina Rockwell. En este método, la dureza se determina en función de la profundidad de la huella.

Es un ensayo muy rápido y sencillo de hacer, pero menos preciso que los anteriores. Es válido para materiales blandos y duros. El penetrador consiste en una bola para materiales blandos, obteniéndose el grado de dureza Rockwell bola (HRB), o bien, un cono de diamante de 120º para materiales duros resultando el grado de dureza Rockwell cono (HRC).

Normas para la Realización del Ensayo Rockwell

Aplicamos una carga de 10 kg al penetrador (cono o bola) hasta conseguir una pequeña huella, se mide la profundidad h₁, que tomamos como referencia, colocando el comparador de la máquina a cero.
Aumentamos las cargas en 90 kg para el penetrador de bola y 140 kg para el de cono. Mantenemos la carga un tiempo comprendido entre 3 y 6 segundos, y medimos la profundidad producida h₂.
Retiramos las cargas adicionales. El penetrador se recuperará y ascenderá hasta la posición h₃. El valor de e no es cero, ya que las deformaciones que se producen en el material son plásticas y elásticas, y al dejar de aplicar las cargas permanecen únicamente las primeras, de valor e.

La dureza Rockwell no se expresa directamente en unidades de penetración, sino por el valor diferencia respecto a dos números de referencia:

Dureza Rockwell HRB = 130 – e
Dureza Rockwell HRC = 100 – e