DEFINICIONES PARA ENSAYOS MECÁNICOS DE
PRODUCTOS DE ACERO
ALCANCE
En esta sección de la norma ASME se tratan varios tipos de ensayos
mecánicos sobre productos de acero, dichos ensayos sirven para determinar las
propiedades requeridas en las especificaciones de los productos.
PRECAUCIONES
GENERALES
Algunos procesos de fabricación en especial los que incluyen el uso de
calor, pueden afectar las propiedades del material a ensayar, por esto las
propiedades obtenidas de ensayos anteriores de dichos procesos de fabricación
no son necesariamente las propiedades del producto ya terminado.
El mal uso de las máquinas de ensayo o la mala selección de las
probetas de ensayo puede ocasionar resultados erróneos acera de las propiedades
del material.
SELECCIÓN DE LA PROBETA
Al momento de seleccionar la probeta para cualquier ensayo, la
orientación de esta en la pieza original es lo que nos influye en los
resultados finales.
Esta orientación puede ser longitudinal o transversal que son los mas
usados en materiales forjados pero no son recomendables para materiales
fundidos.
Ensayo Longitudinal
A menos que se diga lo contrario,
la longitud axial de la probeta es paralela a la dirección de mayor longitud de
acero al momento de ser forjado. La fuerza aplicada a una probeta en el ensayo
a tensión, se aplica, a lo largo del eje mayor de longitud.
Ensayo Transversal
La longitud axial de la probeta
será perpendicular a la dirección de mayor longitud del material de acero
durante el forjado. La fuerza aplicada a una probeta en un ensayo a tensión, se
aplicará a lo largo del eje que será perpendicular a la dirección de mayor
longitud.
En algunos casos que el material
forjado es de forma circular, se utilizan el término orientación radial y
tangencial.
MÉTODOS DE ENSAYO ESTÁNDAR
ENSAYO A TRACCIÓN O TENSIÓN
Descripción
Consiste en el ensayo mecánico de
productos de acero o de probetas de dichos productos bajo estudio, mediante la
aplicación de una carga, suficientemente grande como para ocasionar una
ruptura, a lo largo del eje longitudinal de la probeta.
Parámetros
de las probetas para ensayos a tracción
La selección de las probetas para
este tipo de ensayo depende de las características y especificaciones del
producto a estudiar.
Los aceros forjados sin usualmente
ensayos en la dirección longitudinal. Las probetas son normalmente tomadas a
partir de su radio medio. Ciertas especificaciones de los productos permiten el
uso de una barra representativa o la destrucción de una parte de la producción
para propósitos de prueba. Para aros forjados en forma de disco, el ensayo del
metal es requerido al incrementar el diámetro, el espesor, o la longitud del
forjado. Discos superiores o anillos forjados, los cuales son trabajados o
extendidos por el forjado en una dirección perpendicular al eje de la forja,
usualmente tienen su extensión principal a lo largo de círculos concéntricos y
para aquellos forjados con tensión tangencial las probetas son obtenidas desde
una porción extra del metal en la periferia o al final del forjado. Para
algunos forjados, como rotores, las pruebas de tensión radial son necesarias.
En esos casos, las muestras son cortadas desde ubicaciones especificas.
Los tamaños
y tolerancias
Las probetas de prueba deben ser
del máximo espesor o sección del material, o deben ser maquinadas a la forma y
dimensión de su correspondiente forma característica. La selección del tamaño y
el tipo de probeta de prescrito por la especificación del producto. Probetas de
un máximo espesor deben ser probadas en 8in (200mm) de longitud a menos que las
especificaciones del producto lo impidan o contradigan.
Las probetas deben ser cortadas del
producto que se desea estudiar, luego usualmente son maquinadas para reducirlas
a un tamaño apropiado para el ensayo y para obtener una distribución uniforme
de la carga para localizar la zona de fractura.
A las probetas se les pueden
aplicar tratamientos térmicos pero sin eliminar los efectos de procesos a los
que haya estado sometido anteriormente.
Es preferible que el área de la sección transversal de la parte central
de la probeta sea menor que la de toda la probeta para asegurar la fractura
interna de esta área.
Las dimensiones y formas de las
probetas pueden variar dependiendo del material y producto de donde provengan,
pueden ser redondas, rectangulares o en forma de laminas.
La forma de los extremos de la
probeta dependerán del material y de la maquina que se utilizara para realizar
el ensayo.
Para ensayos sobre metales
fundidos, la probeta no se toma de la pieza fundida debido a que ha cambiado
sus propiedades iniciales, por lo tanto para conocer las propiedades mecánicas
de la pieza, se debe hacer una probeta de la misma forma que se hizo la pieza.
Máquinas para el ensayo a tensión
Las máquinas que se emplean para el
ensayo mecánico contienen generalmente elementos para: sujetar la probeta, para
deformarla, para medir la carga necesaria para producir la deformación. Algunas
máquinas (probadoras de ductibilidad) omiten la medición de la carga y la
sustituyen por una medición de deformación, mientras que otras maquinas efectúan
tanto la medición de la carga como la de la deformación por medio de aparatos
que forman parte integrante de la máquina misma (registradores de deformaciones
y esfuerzos) y bien son auxiliares de ella (medidores de deformación). En la mayoría
de mas maquinas de ensayo universales (para toda clase de prueba), se regula la
deformación como la variable independiente y se mide la carga resultante, y en
muchas maquinas especializadas, particularmente las que trabajan con cargas
ligeras, se regula la carga y se determina la deformación resultante. Las
características especiales pueden incluir las necesarias para el incremento
constante de la carga (discos por pasos), incremento constante de la
deformación, mantenimiento de la carga constante y variación cíclica de la
carga (fatiga).
Mediciones de la carga y deformación
En los sistemas modernos de ensayo,
las mediciones de la carga y las deformaciones se hacen con transductores sensibles
a esas variables, los cuales generan salidas eléctricas. Estas salidas se
convierten en lecturas de carga y deformación por medio de una circuiteria electrónica
apropiada. Por lo común, las lecturas se exhiben automáticamente en una grafica
registradora o un medidor digital, o se leen en una computadora. Normalmente, también
se emplean salidas de los transductores como señales de retroalimentación para
controlar el modo de la prueba (carga constante, extensión constante o rapidez
constante de deformación). Por lo general, el transductor de deformación es un
extensómetro ceñido al tramo de medicino de la probeta y funciona con base en
el mismo principio: se detecta el cambio de la resistencia eléctrica en el
tramo de la medicino de la probeta conforme esta se deforma. En las
especificaciones ASTM E83 se da la manera de clasificar y verificar los
extensometros. Es común que la aplicación de la carga a la probeta, y su
deformación, sea por medio de un mecanismo de tornillo, pero también puede
aplicarse por medio de sistemas hidráulicos o servo hidráulicos. Estos se
diferencian principalmente en la variación de la carga que pueden aplicar. El
sistema mecánico con tornillos de fuerza contiguos esta limitado a un pequeño
numero de cambios de velocidades. Los hidráulicos y los mecánicos actuales tienen
un gran rango de velocidades. Características importante en el diseño de las
maquinas de ensayo son los métodos que se aplican para reducir la fricción
(rozamiento), el desgaste y el juego. En las maquinas de ensayo mas antiguas,
las cargas de pruebas se determinaban a partir de la propia maquina (por
ejemplo, una lectura de presión hidráulica en la maquina) de modo que la fricción
en esta era una importante contribución a la falta de exactitud. El uso de
transductores independientes de la maquina en el ensayo moderno de materiales
ha eliminado en gran parte esa fuente de error.
Mordazas de
Sujeción y su función
Las mordazas no solo deben servir
para sujetar la probeta, sino también para aplicar la carga de la manera
deseada. Esta carga debe ser transmitida a lo largo del eje longitudinal de la
probeta durante toda la prueba. El centrado de la carga es de gran importancia
en las pruebas de compresión y no debe descuidarse en los ensayos de tracción
si el material es frágil. Las mordazas giratorias (de esfera y caja) o los
bloques de compresión deben usarse con todos lo materiales excepto en los mas
dúctiles , y los ensayos de compresión en los materiales frágiles (hormigón,
piedra, ladrillo) se deben recubrir con yeso todas las caras ásperas hasta
dejarlas lisas, o bien, con dos tercios de yeso y un tercio de cemento
pórtland. Se pueden emplear mordazas dentadas para materiales dúctiles o los vástagos
de otras mordazas en las pruebas de tracción (tensión); una disminución en el
espesor de 1 en 6 de las caras acuñadoras producen una acción de autoapriete
sin trabamiento excesivo. Los cables se sujetan ordinariamente en empalmes
protegidos con ojos metálicos, pero los cables trenzados o las cuerdas pequeñas
pueden sujetarse dándole varias vueltas sobre un pasador fijo y luego se
aseguran con abrazaderas. En las
especificaciones ASTM E8 se describe la manera de seleccionar las mordazas para
las pruebas de tracción.
Velocidad
del Ensayo
La velocidad de la prueba no debe ser mayor que aquella a la cual las
lecturas de la carga de tensión puedan ser hechas de forma exacta. La velocidad
del ensayo es comúnmente expresado en términos de la velocidad de los
cabezales, el rango de separación de los dos cabezales de la maquina de ensayo
bajo carga o en términos del rango de tensión de la probeta.
La velocidad conveniente de ensayo
debe ser usada hasta alcanzar la mitad del punto de cedencia especificado,
cuando este punto es alcanzado, el rango de separación de los cabezales bajo
carga debe ser ajustado para que no exceda 1/16 pulg/min por cada pulgada de la
longitud de la sección central de la probeta.
Exactitud y
calibración
Las especificaciones ASTM E4-61T
exigen que las maquinas comerciales tengan errores menores del 1% dentro de los
limites (rango ) de la carga al comprobarse contra modelos normalizados de comparación aceptables a, cuando menos,
cinco cargas adecuadamente espaciadas.
Los “limites de la carga” pueden ser cualesquiera dentro de los cuales queden
satisfechas la necesidades mencionadas de precisión, pero no debe extenderse
por debajo de 100 veces la carga mínima a la que la maquina responderá o a la
que pueda ser leída en el indicador. Bajo ninguna circunstancia se permite el
empleo de graficas o tablas de
calibración para corregir los resultados de una maquina que no de la exactitud
necesaria. Existen el comercio otras maquinas con errores menores de 0.1%
(Tate-Emery y otras), y se puede obtener exactitud algo mayor en los aparatos
de investigación mas refinados.
Se pueden emplear cargas muertas para
comprobar maquinas de baja capacidad, y palancas de prueba calibradas o
graduadas con exactitud para ampliar los limites (rango) de pesos disponibles.
Varios dispositivos elásticos (como el anillo probador de Morehouse), de acero
con tratamientos especiales, y graduados con pesos muertos en la Oficina de
Normas, se encuentran entre los medios mas satisfactorios para comprobar las
cargas mas elevadas.
En los materiales
forjados, y particularmente en aquellos que han sido trabajados en frío, se
pueden espera propiedades diferentes en distintas direcciones con respecto a la
del trabajo aplicado, y la probeta de ensayo debe cortarse del material
original de tal manera que se obtenga la resistencia en la dirección deseada.
Con excepción de las probetas para fatiga y las de materiales extremadamente frágiles,
el acabado de la superficie tiene poca importancia practica, aunque la aspereza
extremada tiende a disminuir el alargamiento a la carga máxima.
Fuerza de
cedencia y reducción del área
El punto de cedencia es la primera
tensión de un material, menor que la máxima tensión que se puede obtener a la
cual ocurre un incremento del alargamiento sin incrementar la tensión.
La fuerza de cedencia es la tensión
a la cual el material muestra una desviación de la proporcionalidad entra la
tensión y el alargamiento.
La fuerza tensil se puede calcular
dividiendo la máxima carga que soporta la probeta durante la tensión entre el
área de la sección transversal original de dicha probeta.
Para calcular la reducción del área
se unen los dos extremos partidos de la probeta y se mide el diámetro, la
diferencia entre esta medida y la original de la probeta será el porcentaje de
reducción de área.
Lecturas
adicionales, imágenes y datos tomados de: