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Una máquina universal de pruebas mecánicas, su estructura y cómo se utiliza para realizar ensayos de resistencia de materiales mediante pruebas de tensión, compresión, corte y flexión. Se explica el funcionamiento del gato hidráulico y cómo se realizan los ensayos de tensión, compresión y corte directo, además de las curvas de esfuerzo-deformación unitaria normalizadas para diferentes materiales.
Tipo: Apuntes
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Aparatos y Maquinas
La máquina consiste en dos partes esenciales: Una estructura superior y una inferior. En la estructura superior se realizan las diferentes pruebas y se encuentra el reloj para observar la carga aplicada mientras que la estructura inferior se encarga de soportar el peso de la maquina (peso muerto) y servir de alojamiento para los distintos aditamentos que se utilizan en las pruebas, las cuales se realizan gracias a la fuerza generada por un gato hidráulico de operación manual con la capacidad suficiente para desarrollar las pruebas. Estructura Superior: Se compone de dos vigas (superior e inferior) y dos placas entre ellas que unidas por barras laterales proporcionan 3 espacios, uno de los cuales (el inferior) aloja el gato hidráulico y los otros dos son las zonas de compresión (intermedio) y de tensión (superior). Estructura Inferior: Como ya se había mencionado anteriormente, esta estructura además de soportar la estructura superior sirve de gabinete de alojamiento y sitio de almacenaje para los aditamentos, herramientas y otros elementos para la operación de esta.
Este ensayo es utilizado para medir la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Esta prueba consiste en alargar una probeta de ensayo por fuerza de tensión, ejercida gradualmente, con el fin de conocer ciertas propiedades mecánicas de materiales en general: su resistencia, rigidez y ductilidad. Sabiendo que los resultados del ensayo para un material dado son aplicables a todo tamaño y formas de muestra, se ha establecido una prueba en la cual se aplica una fuerza de tensión sobre una probeta de forma cilíndrica y tamaño normalizado, que se maneja universalmente entre los ingenieros. Este ensayo se lleva a cabo a temperatura ambiente entre 10ºC y 35ºC. La figura No. 2 muestra en forma cualitativa las curvas de esfuerzo-deformación unitaria normales para un metal, un material termoplástico, un elastómero y un cerámico. En esta figura, las escalas son cualitativas y distintas para cada material. Se supone que el material plástico esta arriba de su temperatura de transformación vítrea (Tg), mientras que los materiales metálicos y termoplásticos muestran una región inicial elástica, seguida por una región plástica no lineal. También se incluye una curva aparte para los elastómeros (es decir, hules o siliconas), ya que el comportamiento de esos materiales es distinto del de otros materiales poliméricos. Para los elastómeros, una gran parte de la deformación es elástica y no lineal. Por otra parte los cerámicos y los vidrios solo muestran una región elástica lineal y casi nunca muestran deformación plástica a temperatura ambiente.
Este ensayo es el más importante a realizar con una piedra natural, con el hormigón, con los ladrillos, etc. por ser a este esfuerzo como generalmente se les hace trabajar. La resistencia a compresión simple de las piedras que se utilizan como revestimientos o como pavimentos, se determinan sobre formas paralelepipédicas, en lugar de formas cilíndricas, que es lo habitual para determinar la resistencia a compresión simple de cualquier material, como
por ejemplo el hormigón. En concreto, se utilizan muestras formadas por 5 probetas cúbicas, que se ensayan después de secarlas en estufa, manteniéndolas durante 48 horas a 60 ± 2°C. Las bases serán paralelas entre sí y perpendiculares al eje de la probeta, alisándose por amolado con una máquina rectificadora. Se rechazarán las probetas que presenten defectos evidentes. La planicidad de las bases se comprobará con ayuda de un papel de carbón colocado sobre una superficie perfectamente plana y sobre el cual se colocarán las bases de la probeta. La perpendicularidad del eje de la probeta a las bases se comprobará situándola de pie sobre una superficie perfectamente plana y aplicando una escuadra sobre una generatriz. La holgura entre cualquiera de las generatrices y la rama vertical de la escuadra no deberá sobrepasar la tolerancia especificada. El paralelismo de las bases se comprobará realizando cuatro medidas de la altura de la probeta, equidistantes. La diferencia entre la medida máxima y la mínima no deberá exceder a la tolerancia especificada. La máquina de ensayos será una prensa hidráulica o mecánica, que disponga de varias escalas de manera que se pueda escoger la apropiada, según el valor medio del ensayo a efectuar, de forma que ningún resultado individual quede por debajo de la décima parte del valor máximo de la gama de medida empleada. Debe permitir la aplicación de la carga de una manera continua y progresiva. Entre los platos de la prensa se situará el dispositivo de compresión, en el cual uno de los platos de presión estará montado sobre una rótula, con el fin de repartir de forma uniforme la carga y adaptarse al posible no paralelismo de las bases. Cada probeta, previamente secada, se coloca en el dispositivo de compresión, el cual a su vez estará colocado entre los platos de la prensa.
En el ensayo de corte directo es adecuado para la determinación relativamente rápida de las propiedades de resistencia de materiales drenados y consolidados. Debido a que las trayectorias de drenaje a través de las muestras son cortas, se permite que el exceso de presión en los poros sea disipado más rápidamente que con otros ensayos drenados. El ensayo puede ser hecho en todo tipo de suelos inalterados, remoldeados o compactados. Hay sin embargo una limitación en el tamaño máximo de las partículas presentes en las muestras. Los resultados del ensayo son aplicables para estimar la resistencia al corte en una situación de campo donde ha tenido lugar una completa consolidación bajo los esfuerzos normales actuales. La ruptura ocurre lentamente bajo condiciones drenadas, de tal manera que los excesos de presión en los poros quedan disipados. Los resultados de varios ensayos pueden ser utilizados para expresar la relación entre los esfuerzos de consolidación y la resistencia al corte en condiciones drenadas.
El ensayo de torsión consiste en aplicar un par torsor a una probeta por medio de un dispositivo de carga y medir el ángulo de torsión resultante en el extremo de la probeta. Este ensayo se realiza en el rango de comportamiento linealmente elástico del material. Los resultados del ensayo de torsión resultan útiles para el cálculo de elementos de máquina sometidos a torsión tales como ejes de transmisión, tornillos, resortes de torsión y cigüeñales. Las probetas utilizadas en el ensayo son de sección circular. El esfuerzo cortante producido en la sección transversal de la probeta (t) y el ángulo de torsión (q) están dados por las siguientes relaciones:
El propósito principal de un ensayo de dureza es determinar la idoneidad de un material, o el tratamiento concreto al cual el material ha sido sometido. El ensayo de dureza suele llevarse a cabo midiendo la profundidad de penetración del penetrador (Rockwell, ensayo de penetración instrumentado, dureza de penetración de bola) o bien midiendo el tamaño de una impresión dejada por un penetrador (Vickers, Knoop y Brinell). El método de ensayo de dureza por penetración más adecuado dependerá de la microestructura de los materiales; es decir, de la homogeneidad del material. Es importante que el material, bajo la penetración realizada por el ensayo de dureza, sea representativo de la totalidad de la microestructura, salvo que la tarea sea estudiar los diferentes constituyentes presentes en la microestructura. Esto significa que, si
una microestructura es muy tosca y heterogénea, se necesitará una mayor impresión que para un material homogéneo. Los cuatro ensayos de dureza por penetración más comunes son: Rockwell es un método rápido, desarrollado para el control de producción, y que cuenta con una lectura directa de los resultados. La dureza Rockwell (HR) se calcula midiendo la profundidad de la penetración después de haber forzado un penetrador en un material de muestra a una carga dada. La dureza Vickers (HV) se calcula midiendo las longitudes diagonales causadas por una penetración realizada a través de introducir un penetrador piramidal de diamante con una carga dada en un material de muestra. El tamaño de las diagonales de la penetración se lee ópticamente a fin de determinar la dureza usando una tabla o fórmula. La dureza Knoop (HK) es una alternativa a los ensayos Vickers dentro del rango de micro durezas, cuya finalidad es la de principalmente superar las fracturas en los materiales quebradizos (como, por ejemplo, la cerámica), así como para también facilitar los ensayos en capas finas. El penetrador es un diamante piramidal asimétrico. El tamaño del penetrador está basado en la medida de una diagonal longitudinal que se lee ópticamente a fin de determinar la dureza. La penetración Brinell ofrece una impresión de un tamaño relativamente grande con una bola de carbón de tungsteno de denominación HBW, siendo W el símbolo químico del tungsteno. El tamaño de la penetración se lee ópticamente a fin de determinar la dureza. Las aplicaciones típicas son los forjados y los fundidos cuyos elementos estructurales son de gran tamaño e inhomogéneos o cuyas estructuras son demasiado toscas para someterse a otros métodos (Rockwell/Vickers) y obtener un resultado representativo.
Las pruebas de impacto se utilizan para conocer cuánta energía puede absorber un material al ser impactado, se conoce también como ensayos de tenacidad o ensayo de Charpy. El ensayo de impacto consiste en dejar caer un péndulo pesado, el cual a su paso golpea una probeta que tiene forma de paralelepípedo ubicada en unos soportes en la base de la máquina. Se debe dejar caer el péndulo desde un ángulo necesario para alcanzar la velocidad sea la requerida en el momento del golpe. La probeta posee una muesca (entalle) estándar para facilitar el inicio de la fisura. Luego de golpear la probeta el péndulo sigue su camino alcanzando cierta altura que depende de la cantidad de energía absorbida por la probeta durante el impacto. Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad (baja fragilidad) se doblan sin romperse. Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura por lo que se analizará la influencia de esta y el tipo de muesca en la energía.
