La prueba de resistencia a la tracción se utiliza principalmente para determinar la capacidad de los materiales metálicos para resistir daños durante el proceso de estiramiento y es uno de los indicadores importantes para evaluar las propiedades mecánicas de los materiales.
1. Prueba de tracción
El ensayo de tracción se basa en los principios básicos de la mecánica de materiales. Al aplicar una carga de tracción a la muestra de material bajo ciertas condiciones, se provoca una deformación por tracción hasta su rotura. Durante el ensayo, se registran la deformación de la muestra experimental bajo diferentes cargas y la carga máxima a la que se rompe, para calcular el límite elástico, la resistencia a la tracción y otros indicadores de rendimiento del material.
Estrés σ = F/A
σ es la resistencia a la tracción (MPa)
F es la carga de tracción (N)
A es el área de la sección transversal de la muestra
2. Curva de tracción
Análisis de varias etapas del proceso de estiramiento:
a. En la etapa OP con una carga pequeña, el alargamiento está en una relación lineal con la carga, y Fp es la carga máxima para mantener la línea recta.
b. Una vez que la carga supera Fp, la curva de tracción comienza a adoptar una relación no lineal. La muestra entra en la fase de deformación inicial, se retira la carga y la muestra puede volver a su estado original y deformarse elásticamente.
c. Una vez que la carga supera el límite elástico (Fe), esta se retira, se restaura parte de la deformación y se conserva parte de la deformación residual, lo que se denomina deformación plástica. El límite elástico (Fe) se denomina límite elástico.
d. Cuando la carga aumenta aún más, la curva de tracción presenta una forma de diente de sierra. Cuando la carga no aumenta ni disminuye, el fenómeno de elongación continua de la muestra experimental se denomina fluencia. Tras la fluencia, la muestra comienza a experimentar una deformación plástica evidente.
e. Tras la fluencia, la muestra muestra un aumento de la resistencia a la deformación, el endurecimiento por acritud y el refuerzo por deformación. Cuando la carga alcanza Fb, la misma parte de la muestra se contrae bruscamente. Fb es el límite de resistencia.
f. El fenómeno de contracción provoca una disminución de la capacidad portante de la muestra. Cuando la carga alcanza Fk, la muestra se rompe. Esto se denomina carga de fractura.
Fuerza de fluencia
El límite elástico es el valor máximo de tensión que un material metálico puede soportar desde el inicio de la deformación plástica hasta la fractura completa al ser sometido a una fuerza externa. Este valor marca el punto crítico donde el material pasa de la fase de deformación elástica a la fase de deformación plástica.
Clasificación
Resistencia máxima al rendimiento: se refiere a la tensión máxima de la muestra antes de que la fuerza caiga por primera vez cuando se produce el rendimiento.
Límite de fluencia inferior: se refiere a la tensión mínima en la etapa de fluencia cuando se ignora el efecto transitorio inicial. Dado que el valor del límite de fluencia inferior es relativamente estable, suele utilizarse como indicador de la resistencia del material, denominado límite de fluencia o límite elástico.
Fórmula de cálculo
Para un límite elástico superior: R = F / Sₒ, donde F es la fuerza máxima antes de que la fuerza caiga por primera vez en la etapa de fluencia y Sₒ es el área de la sección transversal original de la muestra.
Para una resistencia al rendimiento menor: R = F / Sₒ, donde F es la fuerza mínima F ignorando el efecto transitorio inicial, y Sₒ es el área de la sección transversal original de la muestra.
Unidad
La unidad de resistencia al rendimiento suele ser MPa (megapascal) o N/mm² (Newton por milímetro cuadrado).
Ejemplo
Tomemos como ejemplo el acero con bajo contenido de carbono, cuyo límite elástico suele ser de 207 MPa. Al someterse a una fuerza externa superior a este límite, el acero con bajo contenido de carbono experimentará una deformación permanente que no podrá recuperarse; al someterse a una fuerza externa inferior a este límite, el acero con bajo contenido de carbono puede recuperar su estado original.
El límite elástico es uno de los indicadores importantes para evaluar las propiedades mecánicas de los materiales metálicos. Refleja la capacidad de los materiales para resistir la deformación plástica al ser sometidos a fuerzas externas.
Resistencia a la tracción
La resistencia a la tracción es la capacidad de un material para resistir daños bajo carga de tracción, expresada específicamente como el valor máximo de tensión que el material puede soportar durante el proceso de tracción. Cuando la tensión de tracción sobre el material excede su resistencia a la tracción, este experimenta deformación plástica o fractura.
Fórmula de cálculo
La fórmula de cálculo de la resistencia a la tracción (σt) es:
σt = F / A
Donde F es la fuerza máxima de tracción (Newton, N) que la muestra puede soportar antes de romperse, y A es el área de la sección transversal original de la muestra (milímetro cuadrado, mm²).
Unidad
La unidad de resistencia a la tracción suele ser MPa (megapascal) o N/mm² (Newton por milímetro cuadrado). 1 MPa equivale a 1.000.000 Newtons por metro cuadrado, lo que también equivale a 1 N/mm².
Factores influyentes
La resistencia a la tracción se ve afectada por muchos factores, incluida la composición química, la microestructura, el proceso de tratamiento térmico, el método de procesamiento, etc. Diferentes materiales tienen diferentes resistencias a la tracción, por lo que en aplicaciones prácticas, es necesario seleccionar materiales adecuados en función de las propiedades mecánicas de los materiales.
Aplicación práctica
La resistencia a la tracción es un parámetro fundamental en la ciencia e ingeniería de materiales, y se utiliza a menudo para evaluar las propiedades mecánicas de los materiales. En términos de diseño estructural, selección de materiales, evaluación de seguridad, etc., la resistencia a la tracción es un factor fundamental. Por ejemplo, en ingeniería de la construcción, la resistencia a la tracción del acero es un factor clave para determinar su capacidad de soportar cargas; en el sector aeroespacial, la resistencia a la tracción de materiales ligeros y de alta resistencia es clave para garantizar la seguridad de las aeronaves.
Resistencia a la fatiga:
La fatiga del metal se refiere al proceso en el cual los materiales y componentes producen gradualmente daños locales permanentes acumulativos en uno o varios lugares bajo tensión o deformación cíclica, y aparecen grietas o fracturas completas repentinas después de un cierto número de ciclos.
Características
Repentinidad en el tiempo: La falla por fatiga del metal a menudo ocurre repentinamente en un corto período de tiempo sin signos evidentes.
Localidad en la posición: La falla por fatiga generalmente ocurre en áreas locales donde se concentra el estrés.
Sensibilidad al medio ambiente y a los defectos: La fatiga del metal es muy sensible al medio ambiente y a los pequeños defectos en el interior del material, que pueden acelerar el proceso de fatiga.
Factores influyentes
Amplitud de la tensión: La magnitud de la tensión afecta directamente la vida útil por fatiga del metal.
Magnitud de la tensión media: Cuanto mayor sea la tensión media, más corta será la vida útil por fatiga del metal.
Número de ciclos: Cuanto más veces esté el metal sometido a tensión o deformación cíclica, más grave será la acumulación de daños por fatiga.
Medidas preventivas
Optimice la selección de materiales: seleccione materiales con límites de fatiga más altos.
Reducción de la concentración de tensión: reduzca la concentración de tensión a través del diseño estructural o métodos de procesamiento, como el uso de transiciones de esquinas redondeadas, el aumento de las dimensiones de la sección transversal, etc.
Tratamiento de superficie: Pulido, pulverización, etc. sobre la superficie del metal para reducir los defectos de la superficie y mejorar la resistencia a la fatiga.
Inspección y mantenimiento: Inspeccione periódicamente los componentes metálicos para detectar y reparar rápidamente defectos como grietas; realice el mantenimiento de las piezas propensas a la fatiga, como reemplazar las piezas desgastadas y reforzar los eslabones débiles.
La fatiga del metal es un modo común de falla, que se caracteriza por su rapidez, localización y sensibilidad al entorno. La amplitud de la tensión, la magnitud media de la tensión y el número de ciclos son los principales factores que la afectan.
Curva SN: describe la vida útil por fatiga de los materiales bajo diferentes niveles de estrés, donde S representa el estrés y N representa el número de ciclos de estrés.
Fórmula del coeficiente de resistencia a la fatiga:
(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)
Donde (Ka) es el factor de carga, (Kb) es el factor de tamaño, (Kc) es el factor de temperatura, (Kd) es el factor de calidad de la superficie y (Ke) es el factor de confiabilidad.
Expresión matemática de la curva SN:
(\sigma^m N = C)
Donde (\sigma) es la tensión, N es el número de ciclos de tensión y m y C son constantes del material.
Pasos de cálculo
Determinar las constantes del material:
Determinar los valores de m y C mediante experimentos o consultando la literatura relevante.
Determinar el factor de concentración de tensión: considere la forma y el tamaño reales de la pieza, así como la concentración de tensión causada por filetes, chaveteros, etc., para determinar el factor de concentración de tensión K. Calcular la resistencia a la fatiga: de acuerdo con la curva SN y el factor de concentración de tensión, combinados con la vida útil de diseño y el nivel de tensión de trabajo de la pieza, calcule la resistencia a la fatiga.
2. Plasticidad:
La plasticidad se refiere a la propiedad de un material que, al ser sometido a una fuerza externa, produce una deformación permanente sin romperse cuando la fuerza externa excede su límite elástico. Esta deformación es irreversible y el material no recupera su forma original incluso si se elimina la fuerza externa.
Índice de plasticidad y su fórmula de cálculo
Elongación (δ)
Definición: El alargamiento es el porcentaje de la deformación total de la sección de calibración después de que la muestra se fractura por tracción hasta la longitud de calibración original.
Fórmula: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%
Donde L0 es la longitud de calibración original de la muestra;
L1 es la longitud del calibre después de que se rompe la muestra.
Reducción segmentaria (Ψ)
Definición: La reducción segmentaria es el porcentaje de la reducción máxima en el área de la sección transversal en el punto de estrangulamiento después de que la muestra se rompe hasta el área de la sección transversal original.
Fórmula: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%
Donde F0 es el área de la sección transversal original de la muestra;
F1 es el área de la sección transversal en el punto de estrangulamiento después de que se rompe la muestra.
3. Dureza
La dureza del metal es un índice de propiedades mecánicas que mide la dureza de los materiales metálicos. Indica la capacidad de resistir la deformación en el volumen local de la superficie metálica.
Clasificación y representación de la dureza de los metales
La dureza de los metales se clasifica y representa de diversas maneras según los diferentes métodos de ensayo. Entre los principales se incluyen los siguientes:
Dureza Brinell (HB):
Ámbito de aplicación: Generalmente se utiliza cuando el material es más blando, como metales no ferrosos, acero antes del tratamiento térmico o después del recocido.
Principio de prueba: Con un tamaño determinado de carga de prueba, se presiona una bola de acero endurecido o una bola de carburo de un diámetro determinado en la superficie del metal a probar, y la carga se descarga después de un tiempo específico y se mide el diámetro de la sangría en la superficie a probar.
Fórmula de cálculo: El valor de dureza Brinell es el cociente que se obtiene al dividir la carga entre la superficie esférica de la huella.
Dureza Rockwell (HR):
Ámbito de aplicación: Generalmente se utiliza para materiales con mayor dureza, como la dureza después del tratamiento térmico.
Principio de prueba: Similar a la dureza Brinell, pero utilizando diferentes sondas (diamante) y diferentes métodos de cálculo.
Tipos: Dependiendo de la aplicación, existen HRC (para materiales de alta dureza), HRA, HRB y otros tipos.
Dureza Vickers (HV):
Ámbito de aplicación: Adecuado para análisis microscópico.
Principio de prueba: Presione la superficie del material con una carga de menos de 120 kg y un penetrador de cono cuadrado de diamante con un ángulo de vértice de 136°, y divida el área de la superficie del hoyo de sangría del material por el valor de la carga para obtener el valor de dureza Vickers.
Dureza Leeb (HL):
Características: Probador de dureza portátil, fácil de medir.
Principio de prueba: utilice el rebote generado por la cabeza de la bola de impacto después de impactar la superficie de dureza y calcule la dureza mediante la relación entre la velocidad de rebote del punzón a 1 mm de la superficie de la muestra y la velocidad de impacto.
Hora de publicación: 25 de septiembre de 2024
