TECNALIA, Ensayos Mecánicos: estándares bajo norma y adicionales para asegurar el comportamiento en servicio, Yeyes San Martín

1. ENSAYOS
MECÁNICOS:
Estándares bajo
norma y adicionales
para asegurar el
comportamiento en
servicio.

2. ENSAYO
OPERACIÓN QUE APORTA
DATOS PRECISOS
(propiedades o leyes de comportamiento)
SOBRE LAS AUTÉNTICAS PROPIEDADES DE UN
MATERIAL O UN COMPONENTE / ENSAMBLAJE
(Proyecto)
1.- Diseño
3.- Puesta en
marcha
2.- ENSAYO
Valores calculados,
por sí solos no
pueden dar una
imagen precisa de
cómo se comportan
los productos y
materiales

3. • Asegurar:
 Que los productos diseñados encajan con su finalidad
 El correcto funcionamiento de los componentes en un
entorno seguro
• Recopilar información necesaria para:
 Llevar un diseño a la práctica
 Cumplir con normas de calidad
 Cumplir con regulaciones aplicables
 Cumplir con especificaciones de cliente
 Cumplir con requisitos de contratos
¿PARA QUÉ se ensaya?

4. QUÉ SE ENSAYA
• MATERIALES
Probetas
• COMPONENTES
Utilizados en un proyecto
PROPIEDAES
LEYES DE
COMPORTAMIENTO
BAJO DISTINTAS
SITUACIONES

5. Propiedades

7. Propiedades
Físico-Químicas:
informan sobre el comportamiento del material
ante diferentes acciones externas, como el
calentamiento, las deformaciones o el ataque de
productos químicos. Son debidas a la estructura
microscópica del material.
• Calor específico
• Conductividad eléctrica
• Conductividad térmica
• Peso específico
• Magnetismo
• Propiedades ópticas
• Resistencia a la corrosión
• Volatilidad
etc

8. Propiedades
Tecnológicas:
informan sobre el comportamiento del material
frente a diversos métodos de trabajo y
determinadas aplicaciones
• Soldabilidad
• Forjabilidad
• Maquinabilidad
• Colabilidad
etc

9. • Resistencia soportar esfuerzos entes de la fractura
• Rigidez deformarse por aplicación de cargas
• Ductilidad deformarse en hilos (tracción)
• Maleabilidad deformarse en láminas (aplastado)
• Elasticidad/Plasticidad sufrir
deformaciones reversibles
• Tenacidad/Fragilidad resistencia a
romperse cuando es golpeado, si/no deformación plástica
• Acritud endurecimiento por deformación
• Resiliencia energía acumulada durante la
deformación elástica
• Dureza resistencia a la penetración
etc
Propiedades Mecánicas:
informan sobre la forma en que un material responde a una fuerza
aplicada:

10. ALA
DE
AVIÓN
MECÁNICAS:
Resistencia mecánica
(F)
Resistencia a la fatiga
(despegue, aterrizaje, vuelo)
Resistencia a la termofluencia
(altas temperaturas en vuelo)
FÍSICAS:
Densidad
(ligereza)
Resistencia a la corrosión
(mar)
Conductividad eléctrica
(rayos)
Aleación de Al
Compuestos de
matrices poliméricas
reforzadas con fibra

13. Tipo: Electromecánicas
Rangos: 50N, 250N, 5kN, 10kN, 100kN, 200kN
(5Kg, 25Kg, 500Kg, 1.000Kg, 10Tn, 20Tn)
Tipo: Hidráulica
Rango: 1.000kN
(100Tn)
MÁQUINAS UNIVERSALES DE ENSAYOS:
ESTÁTICAS

14. ELECCIÓN DE LOS
ENSAYOS A REALIZAR
ENSAYOS MECÁNICOS
ESPECIFICACIONES EN
NORMA DE PRODUCTO
EJEMPLO:
UNE-EN ISO 10083-1
Aceros para temple y revenido.
Condiciones técnicas de suministro

15. UNE-EN ISO
10083-1
Aceros para
temple y
revenido.
Condiciones
técnicas de
suministro
ENSAYOS MECÁNICOS

16. ZONA DE EXTRACCIÓN DE PROBETAS
UNE-EN ISO 10083-1
UNE-EN ISO 10025-1
ENSAYO DE TRACCIÓN

17. ENSAYO DE TRACCIÓN
Es el primer ensayo, en importancia, obligatorio
para conocer las características resistentes de los
materiales
ENSAYO DE TRACCIÓN

18. ENSAYO DE TRACCIÓN Curva Tensión vs deformación:
Régimen
plástico
RESISTENCIA A LA TRACCIÓN, MPa
Régimen elástico
MÓDULO ELÁSTICO, GPa
(pendiente)
Fractura
ALARGAMIENTO: Lo, Lf, %
EN PROB. CILÍNDRICAS ESTRICCIÓN, So, Sf, %
Cedencia
LÍMITE ELÁSTICO, MPa
ENSAYO DE TRACCIÓN
e (%)
s (%)

19. Medición de Alargamiento y Estricción
Lo
o
Lf
f
Lf-Lo
Lo
A(%)= x100
So-Sf
So
Z(%)= x100
ENSAYO DE TRACCIÓN

20. FLEXIÓN
COMPRESIÓN
TORSIÓN
CIZALLA

21. • Resistencia a la fatiga
(ensayo dinámico)
• Resistencia a la termofluencia
(ensayo estático)
• Tenacidad a la fractura
(ensayo estático)
Otras Propiedades Mecánicas:
informan sobre la forma en que un material responde a una fuerza
aplicada:

22. ENSAYO DE FATIGA
ENSAYO DE FATIGA
Analiza las características resistentes de los
materiales sometidos a cargas variables
ESFUERZOS: inferiores a resistencia o L.E.
No obstante, provocan la rotura
LÍMITE DE FATIGA es el máximo valor de
tensión al que se puede someter a un material
(o componente) sin que se rompa,
independientemente del número de veces que
se repita la acción

23. ENSAYO DE FATIGA
¿POR QUÉ SE PRODUCE LA ROTURA POR
FATIGA?
INICIO DEL FALLO:
• GIRETA
• DEFECTO (superficial o interno)
• CONCENTRADORES DE TENSIÓN
(cambios de sección, orificios, soldaduras…)
DEFECTO o
DISCONTINUIDAD
PROPAGACIÓN:
• CRECIMIENTO de la grieta
• DISMINUCIÓN de la sección resistente
FALLO:
• Sección resistente INSUFICIENTE
• Rotura REPENTINA.

24. ENSAYO DE FATIGA
IDENTIFICACIÓN DE UNA ROTURA POR FATIGA
Las marcas de avance de la grieta son apreciables en muchos casos como
pequeñas ondulaciones
INICIO
PROPAGACIÓN
ROTURA
FINAL

25. ENSAYO DE FATIGA
FATIGA CONTROL POR CARGA (HCF)
NORMA: ASTM E466 (EN 6072)
DEFINICIÓN DEL ENSAYO:
• smax, smin, R, sa, sm
• Tipo de onda (seno)
• Frecuencia
RESULTADO DEL ENSAYO:
• Número de ciclos a rotura
(curva S-N)
• Límite de fatiga
s
N

26. ENSAYO DE FATIGA
FATIGA CONTROL POR DEFORMACIÓN (LCF)
NORMA: ASTM E606
DEFINICIÓN DEL ENSAYO:
• emax, emin, R, ea, em
• Tipo de onda (trapezoidal)
• Frecuencia
RESULTADO DEL ENSAYO:
• Nº ciclos para % disminución s
• Componente plástica de la deformación
• Velocidad de deformación axial
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
0 500 1000 1500 2000 2500
Stress(Mpa) Cycle Number
EQUIPO AUXILIAR:
• Extensómetro
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
-0,5 0 0,5
Tensión(MPa)
Deformación (%)
Ciclo de Histéresis

27. ENSAYO DE FATIGA
CRECIMIENTO DE GRIETA (da/dN)
NORMA: ASTM E647
FINALIDAD DEL ENSAYO:
Determinar el tiempo que transcurre desde la entrada en servicio de un
componente hasta su fallo.
RESULTADO DEL ENSAYO:
• Velocidad de crecimiento de grieta

28. Tipo: Servohidráulicas
Rangos: 500kN (estático y 250kN dinámico) (50Tn / 25Tn)
200kN (éstático y 100kN dinámico) (20Tn / 10Tn)
0,1 a 40Hz (depende de la rigidez de la muestra)
Tipo: Resonante
Rango: 150kN (15Tn)
45-260 Hz (80-110Hz)
DINÁMICAS
MÁQUINAS UNIVERSALES DE ENSAYOS
Tipo: Flexión Rotativa

29. Puente
Fallo por fatiga
Accidentes aviación
Telesilla

30. ENSAYO DE FLUENCIA
ENSAYO DE FLUENCIA
Analiza las características resistentes de los
materiales sometidos a cargas constantes a
alta temperatura (0,5Tfusión: Pb, Sn, Al, RT).
Comportamiento viscoelástico
ESFUERZOS: inferiores a resistencia o L.E.
No obstante, provocan la rotura
TERMOFLUENCIA:
Deformación plástica permanente
dependiente del tiempo que sufre un material
durante su servicio a alta temperatura

31. ENSAYO DE FLUENCIA
ENSAYO DE FLUENCIA
Medición de cuatro variables
• Tensión
• Deformación
• Temperatura
• Tiempo

32. ENSAYO DE FLUENCIA
ENSAYO DE FLUENCIA
EQUIPO
PALANCA
HORNO
PROBETA
DEFINICIÓN DEL ENSAYO:
• Tensión
• Temperatura
(Nº horas)
PROBETA
PESO

33. ENSAYO DE FLUENCIA
ENSAYO DE FLUENCIA

34. ENSAYO DE FLUENCIA
ENSAYO DE FLUENCIA
Alabe de turbina de avión
Tubo de vapor de una caldera
Filamento
tungsteno

35. LA CIENCIA QUE SE
OCUPA DE MEDIR LA
CAPACIDAD DE UN
MATERIAL QUE
CONTIENE DEFECTOS
PARA RESISTIR UNA
CARGA APLICADA
Mecánica de la Fractura
ENSAYOS DE MECÁNICA DE LA FRACTURA

36. Mecánica de la Fractura
ENSAYOS DE MECÁNICA DE LA FRACTURA
Probeta CT Probeta SENB
El ensyo consiste en aplicar un esfuerzo a una probeta
preparada con un defecto de tamaño y geometría conocidos
El esfuerzo aplicado se
intensifica por el defecto, que
actúa como concentrador de
tensiones.
A partir de una serie de cálculos utilizando los resultados
obtenidos en los ensayos, se obtiene el parámetro de
tenacidad a la fractura buscado: K, CTOD o J (uno u otro,
en base al comportamiento del material: elástico lineal o
elasto-plástico)

37. Importancia de la Mecánica de la Fractura
ENSAYOS DE MECÁNICA DE LA FRACTURA
Permite diseñar y seleccionar materiales, tomando en
consideración la inevitable presencia de defectos.
Se trabaja, por tanto, con tres variables:
1. Propiedad del material (K, J, CTOD)
2. Esfuerzo que debe resistir (s)
3. Tamaño del defecto (a)
De forma que conociendo dos de ellas, se puede
determinar la tercera:

38. ENSAYOS DE MECÁNICA DE LA FRACTURA
SELECCIÓN DE MATERIAL:
Conociendo
amax
s aplicada,
se selecciona un material con una K lo suficientemente
grande para impedir que el defecto crezca.
DISEÑO DE UN COMPONENTE:
Conociendo
amax,
el material (con sus propiedades de m.f.)
se calcula la s máxima que aguanta el componente y a partir
de ahí se diseña el tamaño apropiado de pieza que asegure
que no se excederá el esfuerzo máximo permitido.

39. DISEÑO DE UN MÉTODO DE MANUFACTURA O ENSAYO:
Conociendo
el material a utilizar
el esfuerzo aplicado
Determinado el tamaño del componente,
Se puede calcular el tamaño máximo permisible de los defectos.
• Una técnica de ensayo que detecte cualquier defecto mayor
que este tamaño crítico puede ayudad a asegurarse que la
pieza funcionará con seguridad
• Así mismo se puede seleccionar el método de manufactura
correcto, que no genere defectos “peligrosos”

40. Rueda de ferrocarril
Mecánica de la Fractura
Torre eólica

41. ENSAYOS DE MECÁNICA DE LA FRACTURA