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Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
UNIDAD 6
Ensayos Mecánicos

Efecto de una fuerza sobre un sólido Esfuerzo.
A
P

 La magnitud del efecto es directamente proporcional
a F e inversamente proporcional a A

Los materiales poseen una serie de características, entre las cuales
destacan las propiedades mecánicas, tales como:
Ductilidad
Maleabilidad
Resistencia
Dureza
Tenacidad
Existen ensayos que permiten determinar el comportamiento de un
material ante la aplicación de una carga. Los resultados de estas pruebas
constituyen las propiedades mecánicas del material. Es conveniente,
entonces, aclarar algo el significado de estos términos.

Ductilidad: capacidad que tiene un material para deformarse sin romperse
cuando está sometido a esfuerzos de tracción; por ejemplo en el estirado de
un alambre.
Maleabilidad: capacidad que presenta el material para soportar
deformación sin rotura sometido a compresión, caso de forja o laminado.
Elasticidad: capacidad de un material que ha sido deformado para regresar a
su estado y tamaño original, cuando cesa la acción que ha producido la
deformación. Cuando el material se deforma permanentemente, de tal
manera que no pueda regresar a su estado original, se dice que ha pasado
su límite elástico.

Dureza: Mide la resistencia a la penetración sobre la superficie de un material,
efectuada por otro material.
Resistencia: se definen varias; por ejemplo, resistencia a la tracción es la carga
(Fuerza) máxima por unidad de área que puede soportar el material al ser
estirado. Los valores de resistencia son utilizados en todo lo que se refiere a
diseño.
Fragilidad: Lo opuesto a ductilidad. Un material frágil no tiene resistencia a
cargas de impacto y se fractura aún en cargas estática sin previo aviso. Tanto la
fragilidad como la ductilidad de un material son mediadas arbitrarias, pero
puede decirse que un material con un alargamiento mayor de 5% es dúctil y
menor de 5% es frágil. Se pueden clasificar los materiales en frágiles y
dúctiles, habiendo dentro de ellos diferentes grados.

Tenacidad: Es la energía absorbida por el material durante el proceso de
deformación y ruptura; está directamente relacionada con la resistencia y
ductilidad. Por ejemplo, el vidrio, el hierro fundido y el acero endurecido
son poco tenaces, porque sus ductilidades son muy bajas y en algunos
casos casi cero, aunque tienen una buena resistencia (bastantes duros). Un
metal como el cobre es bastante tenaz, pues tiene una buena resistencia y
buena ductilidad. Mientras que una "goma de mascar" tiene menos
tenacidad, ya que aunque la ductilidad es enorme su resistencia es muy
baja.

Plasticidad: Es la habilidad de un material para adoptar nuevas formas
bajo la presión y retener esa nueva forma. El rango de adaptación puede
variar considerablemente de acuerdo con el material y sus condiciones.
Esfuerzo: Fuerza aplicada a un área conocida.

Ensayos Mecánicos.
 Tensión (tension test)
 Dureza (hardness test)
 Torsión (torsion test)
 Fractura (fracture mechanics)
 Fatiga (fatigue)
 Creep (Creep and stress rupture)
 Impacto y fractura frágil (brittle
fracture and impact testing)
Composición
Microestructura

Ensayo de tensión
El Ensayo de tracción se
realiza bajo la norma
ASTM E-8 ASTM A 370,
o bien la norma chilena
NCH 200, entre otras.

Se coloca una probeta
estándar (0,505 pulg de
diámetro y longitud
calibrada de 2 pulg) en
una máquina de ensayo
consistente de dos
mordazas, una fija y otra
móvil. Se procede a medir
la carga mientras se aplica
el desplazamiento de la
mordaza móvil.
Equipamiento para el ensayo de tensión

Esquema de probetas que se utilizan en el ensayo de tracción

Probetas normalizadas.

Esfuerzo y deformación ingenieriles
Los resultados de un ensayo se aplican a todos los tamaños y secciones
transversales de un material, siempre que la fuerza se convierta en esfuerzo y
la distancia entre las marcas de calibración se conviertan en deformación
Esfuerzo ingenieril
Deformación ingenieril
0
A
F


0
l
l



A0: área sección transversal
original
Io: distancia original entre
marcas de calibración
I: cambio de longitud
después de haber aplicado el
esfuerzo

Curva esfuerzo deformación para una aleación de aluminio

Curvas tensión deformación de algunos metales y aleaciones

Propiedades obtenidas en el ensayo de tensión
• Esfuerzo de cedencia (esfuerzo de fluencia): esfuerzo que divide los
comportamientos elásticos y plásticos del material. El valor crítico del
esfuerzo necesario para iniciar la deformación plástica se llama límite
elástico del material. En los materiales metálicos es el esfuerzo necesario
para iniciar el movimiento de las dislocaciones.
El límite elástico puede definirse como el esfuerzo mínimo al que ocurre la
primera deformación permanente.

• Resistencia a la tensión (resistencia a la tracción): esfuerzo obtenido con la
máxima fuerza aplicada
Es el esfuerzo máximo, basado en la sección transversal original, que puede
resistir un material.
Es el esfuerzo en el cual comienza la estricción en los materiales dúctiles
Deformación localizada durante
el ensayo de tensión de un
material dúctil, produciendo una
región de cuello

• Esfuerzo de ruptura: es el esfuerzo basado en la sección original, que produce
la fractura del material
La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la fuerza
deje de subir. Al adelgazarse la probeta, la fuerza queda aplicada en menor área,
provocando la ruptura.
Esquema de la secuencia de
ruptura de las probetas en un
ensayo de tracción

• Módulo de elasticidad o módulo de Young (E): es el valor de la
pendiente de la parte recta del diagrama esfuerzo v/s deformación
unitaria
)
,
( psi
Pa
E



Ley de Hooke
Es una medida de la rigidez
de un material

Tiene una estrecha relación con la energía de enlace atómico, por lo tanto es
mayor para materiales de punto de fusión alto.
Un alto módulo de elasticidad indica que se necesitan grandes fuerzas para
separar los átomos y producir la deformación elástica del metal.

 Resiliencia
Es la capacidad de un material para absorber energía cuando es deformado
elásticamente y devolverla cuando se elimina la carga
Módulo de resiliencia: Corresponde a la energía de deformación por unidad de
volumen requerida para deformar el material hasta el límite elástico

• Tenacidad a la tensión: capacidad de absorber energía en el campo plástico,
antes de fracturarse (trabajo de fractura).
Se determina como el área bajo la curva esfuerzo- deformación ingenieril. Esta
superficie es una indicación del trabajo total, por unidad de volumen que puede
realizarse sobre el material sin que se produzca rotura
Comparación de las curvas
tensión-deformación de
dos aceros, con alta
tenacidad y baja tenacidad

• Ductilidad: mide la cantidad de deformación que puede resistir un material
sin romperse.
El % de elongación describe la deformación plástica permanente antes de la
falla.
La reducción porcentual del área describe la cantidad de adelgazamiento que
sufre la muestra durante el ensayo
100
%
100
%
0
0
0
0
x
A
A
A
área
en
reducción
x
L
L
L
elongación
de
f
f





Comportamiento dúctil y frágil
El comportamiento de los materiales bajo carga se puede clasificar como
dúctil o frágil según que el material muestre o no capacidad para sufrir
deformación plástica.
a) acero dúctil b) un acero frágil.

Propiedades típicas promedio de algunos materiales metálicos
Material F (Mpa) M (Mpa) E (Gpa)
Acero inoxidables 280 – 700 400 – 1000 190 – 210
Acero alta
resistencia
340 - 1000 550 – 1200 190 – 210
Bronce comercial 82 – 690 200 – 830 36 – 44
Latón laminado 70 – 550 200 – 620 36 – 41
Aluminio 2014-T6 410 480 28
Cobre 55 - 760 230 - 830 40 – 47

El efecto de la temperatura (a) sobre la curva esfuerzo-deformación (b) sobre
las propiedades de tensión de una aleación de aluminio
Variables que afectan a la curva de tensión: Temperatura

Curva esfuerzo deformación acero de baja aleación

Ensayo de Compresión
Un ensayo de compresión se realiza de forma similar a un ensayo de tracción,
excepto que la fuerza es compresiva y la probeta se contrae a lo largo de la
dirección de la fuerza.
Esfuerzo ingenieril
Deformación ingenieril
0
A
F


0
l
l



A0: área sección transversal original
Io: distancia original entre marcas
de calibración
I: cambio de longitud después de
haber aplicado el esfuerzo
Por convención, una fuerza de compresión se considera negativa y, por
tanto, produce un esfuerzo negativo.

Los ensayos de compresión se utilizan cuando se desea conocer el
comportamiento del material bajo grandes deformaciones permanentes
(deformación plástica), tal como ocurren en los procesos de conformación, o
bien cuando tiene un comportamiento frágil a tracción

Las conclusiones sobresalientes de estas pruebas las podemos resumir en
la siguiente forma:
• Los materiales dúctiles presentan los mismos valores en sus
características tanto en tensión como en compresión.
• Los materiales frágiles no presentan punto de fluencia en ningún caso y el
esfuerzo de ruptura coincide con el esfuerzo máximo.
• Los materiales frágiles presentan una resistencia máxima mucho mas
elevada en compresión que en tensión. Por ejemplo, en el caso de la
fundición gris, esta relación es aproximadamente 4:1.

Ensayo de dureza
La dureza implica, en general, una resistencia a la deformación permanente.
Puede significar:
 Resistencia a la penetración (mecánica del ensayo de materiales)
 Resistencia y tratamiento térmico (ingeniero de diseño)
Según la forma del ensayo:
 Dureza al rayado
 Dureza a la penetración
 Dureza al rebote o dinámica

Dureza por indentación es la resistencia de un material a ser indentado
o penetrado.
Es el tipo usual de ensayo de dureza, en el cual se presiona,
directamente o por un sistema de palanca, un indentador cónico o
redondo sobre la superficie bajo una carga conocida substancialmente
estática.
La dureza se expresa, para una carga y marcador especificados, por un
número inversamente proporcional a la profundidad de la indentación o
proporcional a una carga media sobre el área de huella.
Resistencia a la Indentación

• Ensayo de dureza Rockwell
• Ensayo de dureza Brinell
• Ensayo de dureza Vickers

Dureza Brinell
El ensayo consiste en comprimir sobre la superficie del metal, una bola de
acero de 10 mm de diámetro con una carga de 3000 kg.
- En los materiales blandos, se reduce la carga a 500 kg.
- En metales muy duros se emplea una bola de carburo de wolframio
La carga se aplica por un periodo de tiempo normalizado, generalmente de
30 seg, luego se mide la huella con un microscopio.

F : carga aplicada en kg
D : diámetro del penetrador en mm
Di : diámetro de la impresión en mm
Dureza Brinell: (kg/mm2)
Esquema del ensayo de dureza Brinell
Resistencia a la tensión = 500 BHN.

Dureza Vickers
Se emplea como identador una pirámide de diamante de base cuadrada, las
caras opuestas de la pirámide forman un ángulo de 136º (corresponde a la
relación óptima de diámetro de huella a diámetro de bola en el ensayo
Brinell)
Se define como la relación de la carga al área de la superficie de la huella.
Sus cargas van de 5 a 125 kilogramos (de cinco en cinco).
Se emplea Vickers para laminas tan delgadas como 0.006 pulgadas

2
2
L
P
1,854
L
/2)
(
sen
P
2
Vickers
Dureza 


P: carga aplicada en kg
L: media de la longitud de las dos
diagonales en mm
: ángulo formado por las caras opuestas
de la pirámide diamante = 136º

Dureza Rockwell
El ensayo utiliza la profundidad de la penetración bajo carga constante,
como medida de la dureza.
La maquina de ensayo mide en forma automática la profundidad de
penetración del indentador, y la convierte en un número de dureza
Rockwell (HR)

El ensayo es aplicable a todo tipo de materiales metálicos:
a) Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar al
del ensayo Brinell.
b) Duros. Se utiliza como penetrador un cono de diamante de 120° de ángulo
de vértice redondeado en la punta. Se usan cargas normalizadas de 60, 100
y 150 kilogramos
c) Pequeños espesores en materiales blandos o duros. Es el caso de flejes,
chapas delgadas o también sobre capas endurecidas, cementadas o
nitruradas. En este supuesto se usa la modalidad de pequeñas cargas
especificadas en la norma, 3 kilogramos de precarga y 15, 30 o 45
kilogramos de carga. Se conoce este tipo de ensayos como Rockwell
superficial.

ESCALA CARGA (kg) PENETRADOR MATERIALES TIPICOS PROBADOS
A 60 Cono de diamante
Materiales duros en extremo, carburos
de wolframio, etc.
B 100 Bola de 1/16"
Materiales de dureza media, aceros al
carbono bajos y medios, latón, bronce,
etc.
C 150 Cono de diamante
Aceros endurecidos, aleaciones
endurecidas y revenidas.
D 100 Cono de diamante Acero superficialmente cementado.
E 100 Bola de 1/8"
Hierro fundido, aleaciones de aluminio y
magnesio.
F 60 Bola de 1/16" Bronce y cobre recocidos.
G 150 Bola de 1/16" Cobre al berilio, bronce fosforoso, etc.
H 60 Bola de 1/8" Placa de aluminio.
K 150 Bola de 1/8" Hierro fundido, aleaciones de aluminio.
L 60 Bola de 1/4"
Plásticos y metales suaves, como el
plomo.
Ensayos Rockwell normalizados.

Ensayo de impacto (Norma ASTM E-23)
Cuando un material se somete a un golpe repentino y violento, donde la
velocidad de deformación es extremadamente rápida, se puede comportar en
una forma mucho más frágil que la que se observa en el ensayo de tensión.
Se utiliza el ensayo de impacto para evaluar la fragilidad de un material.
• Ensayo de Charpy: metales, aleaciones, cerámicas
• Ensayo de Izod: plásticos

El ensayo de impacto (a) ensayo de Charpy e Izod
(b) dimensiones de muestras normales

Durante el ensayo, un
péndulo pesado (45 kg)
que inicia su movimiento a
una altura h0, describe un
arco, golpea y rompe la
probeta, y llega a una
altura final hf menor.
Si se conocen las alturas
inicial y final del péndulo,
se puede calcular la
diferencia de la energía
potencial.
Esta diferencia es la
energía de impacto que
absorbió la muestra
cuando falló

• La probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de la
fisura.
• Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en
cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse.
Fotografías de probetas,
antes y después del
ensayo

• Ensayo de Charpy: joule (J), lb pie
• Ensayo de Izod: J/m, lb pie/pulg
1 lb pie = 1,356 J
Los valores obtenidos en este ensayo pueden diferir fuertemente si se
realiza a diferentes temperaturas
La capacidad de un material para resistir el impacto de un golpe se
llama tenacidad al impacto

Propiedades que se obtienen en el ensayo de impacto:
Temperatura de transición de dúctil a frágil: es aquella a la cual un
material cambia de un comportamiento dúctil a un comportamiento
frágil.
Un material sujeto a cargas de impacto durante las condiciones de
servicio deberá tener una temperatura de transición por debajo de la
temperatura de operación determinada por el ambiente que rodea al
material.

Ensayos de impacto para un polímero termoplástico de nylon
supertenaz

No todos los materiales tienen una temperatura de transición definida
La estructura cristalina FCC normalmente absorbe mayor energía, sin
mostrar temperatura de transición

Influencia del contenido de carbono sobre el comportamiento dúctil-
frágil de un acero de baja aleación:

Relación con el diagrama esfuerzo-deformación:
La energía necesaria para romper un material durante un ensayo de
impacto, es decir, la tenacidad al impacto, no siempre se relaciona con la
tenacidad a la tensión (es decir, el área contenida dentro del diagrama
esfuerzo-deformación real)
En general, los metales que tienen alta resistencia y gran ductilidad,
tienen buena tenacidad a la tensión, sin embargo, pueden presentar
comportamiento frágil cuando están sujetos a velocidades de deformación
alta, es decir, pueden mostrar pobre tenacidad al impacto, ya que la
velocidad de deformación puede desplazar la transición de dúctil a frágil.
Los cerámicos y muchos materiales compuestos tienen normalmente
tenacidad muy baja, aunque alta resistencia.

Ensayo de Tenacidad
Liberty Ships:
2700 fabricados
400 fisurados
20 se partieron en dos Titanic

Ejemplo: Se obtuvieron los siguientes datos de tensión-deformación de un
acero o,2% C
Esfuerzo
(ksi)
Deformación Esfuerzo
(ksi)
Deformación
0
30
55
60
68
72
74
75
0
0,001
0,002
0,005
0,01
0,02
0,04
0,06
76
75
73
69
65
56
51
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,19
(fractura)

a) Dibuje la curva tensión-deformación
b) Determine la resistencia de cedencia con el criterio del 0,2% de
deformación convencional
c) Determine la resistencia a la tracción del acero
d) El módulo de elasticidad
e) Módulo de resistencia

Ejemplos
1. Se aplica una fuerza de 850 lb a un alambre de níquel de 0,15 pulg de
diámetro, que tiene una resistencia de cedencia de 45.000 psi y una
resistencia a la tensión de 55.000 psi. Determine:
a) Si el alambre se deformará plásticamente
b) Si el alambre tendrá formación de cuello
2. Una probeta de acero al carbono 1030 de 0,50 pulg. de diámetro se
ensaya hasta la fractura . El diámetro de la probeta en la zona de la
fractura fue de 0,343 pulg. Calcule el porcentaje de estricción de la
muestra.

3. Un cable de acero tiene 1,25 pulg de diámetro y 50 pies de longitud, y
con él se levanta una carga de 20 toneladas. ¿Cuál es la longitud del cable
durante el izamiento? El módulo de elasticidad del acero es 30 x 106 psi.
4. Cuando se aplica una carga de 3.000 kg a una esfera de 10 mm de
diámetro en un ensayo Brinell de un acero, se produce una penetración de
3,1 mm de diámetro. Estime la resistencia del acero a la tensión.

5. Se efectúo una serie de ensayos de impacto Charpy sobre cuatro aceros, con
distinto contenido de magnesio, cuyos resultados se muestran en tabla 1.
Grafique los datos y determine:
a) La temperatura de transición (determinada como la media de las energías
absorbidas en las regiones dúctil y frágil)
b) La temperatura de transición (definida como la temperatura que
proporcionan 50 J de energía absorbida)
c) Grafique la temperatura de transición en función del contenido de magnesio
y analice el efecto de este elemento sobre la tenacidad del acero. ¿Cuál
sería el contenido de magnesio mínimo posible en el acero si una pieza
fabricada con él debe utilizarse a 0 ºC?

Tabla 1: Resultados de ensayo de Charpy

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