Tipos de Ensayos Mecánicos en Materiales

Los ensayos mecánicos son fundamentales para comprender el comportamiento de los materiales bajo diversas condiciones de carga. A continuación, se describen algunos de los ensayos más comunes:

Ensayo de Flexión

Un cuerpo está sometido a flexión cuando las fuerzas que actúan sobre él tienden a curvarlo en sentido longitudinal. Este esfuerzo nace de fuerzas longitudinales al eje que generan **momentos flectores**. Los resultados de este ensayo no son concluyentes por sí solos, por lo tanto, suele ser complementario al de tracción. Se realiza mediante probetas alargadas apoyadas en sus extremos sobre rodillos y cargadas en su parte central mediante una fuerza progresivamente creciente. Dependiendo del material, podrá sufrir deformaciones sin generar rotura o, si son frágiles, obtener **tensiones de rotura**.

La probeta, a medida que se aplica la carga, sufre una deformación que genera cierta curvatura. Las fibras interiores estarán sometidas a esfuerzos de tracción, mientras que las superiores sufrirán tensiones de compresión que equilibrarán el sistema. Al poseer sentidos distintos las cargas, hablamos de pares de fuerzas llamadas **Momento flector** (pares de fuerzas sometidas a tracción y compresión que equilibran el sistema). Las tensiones máximas tendrán lugar en las secciones con el momento flector máximo y en las fibras más alejadas de la **Fibra neutra** (fibra que no experimenta variación de longitud porque es el punto donde pasa de tracción a compresión).

• Momento resistente: Relación entre el momento de inercia y la distancia a la fibra más alejada.
• Flecha: Es la distancia vertical entre la línea neutra antes y después de la deformación.
• Límite elástico de flexión: Punto que delimita la transición entre la zona elástica, donde las cargas son proporcionales a la flecha, y la zona siguiente, donde la flecha aumenta considerablemente.

Para realizar el ensayo se usan **máquinas universales** con los útiles necesarios o máquinas fabricadas específicamente para este fin; deberán disponer de dispositivos que puedan determinar la flecha.

Ensayo de Pandeo

Sobre una pieza se aplica un esfuerzo que la comprime. El material se deforma lateralmente por flexión, generando **inestabilidad elástica**. Este suceso hace disminuir el esfuerzo que soporta bajo cargas de compresión. La aplicación de este ensayo se centra en la determinación de las deformaciones producidas en los cuerpos.

• Carga crítica de pandeo o carga de pandeo de Euler: Carga máxima capaz de soportar las piezas sin producir deformaciones; si se supera, se dará una inestabilidad elástica que puede provocar la rotura.

El esfuerzo y el tipo de deformaciones generadas dependerán del momento de inercia, longitud, tipo de material y forma de sujeción (libre-empotrado, apoyado-apoyado, apoyado-empotrado, empotrado-empotrado).

Ensayo de Cizallamiento

Este ensayo estudia el comportamiento de un material sometido a **esfuerzos de cortadura** progresivamente crecientes. Los objetos van a estar sometidos a esfuerzos cortantes, que es un esfuerzo interno debido a la aplicación de cargas que actúan de forma tangente a un plano. Estos esfuerzos se dan en una misma dirección, pero en sentido contrario, estando en planos muy próximos, lo que genera un deslizamiento de la sección sobre la que actúan. Las probetas suelen ser cilíndricas y la aplicación de las cargas se puede hacer en una sección (puede variar los resultados generando roturas prematuras) o en dos secciones (es el más conveniente, ya que el esfuerzo de cortadura es puro).

Ensayo de Punzonado

Consiste en la aplicación de esfuerzos progresivos y crecientes hasta lograr el punzonado. Se diferencia del cizallamiento en que la sección es laminar. Para el ensayo se necesita una matriz para reposar la probeta y un punzón que ejerce una carga.

Ensayo de Torsión

Se genera cuando una determinada sección permanece estática y otra próxima tiende a girar. Se usan piezas cilíndricas o de sección tubular sujetas en un extremo y en el otro se le aplica un **momento torsor**. Esta fuerza genera esfuerzos cortantes y **ángulos de torsión**. Al estudiar dos secciones, una tiene más torsión que la otra, por lo que las fibras que se encuentren entre las dos secciones también variarán su lugar. Las fibras más lejanas al centro serán las que más se deformen; esta línea central es el **eje neutro** en la que la deformación adquirida es nula.

• Ángulo unitario de torsión: Ángulo que gira una determinada sección respecto a otra.

Cuando los esfuerzos de torsión superan la capacidad elástica, aparecen deformaciones permanentes. Con este ensayo podemos determinar el **módulo de elasticidad transversal**.

Ensayo de Doblado

Determina la aptitud de los materiales metálicos a la **deformación plástica por doblado**. Se basa en deformar una probeta por flexión, mediante la aplicación lenta y progresiva de una carga hasta lograr un ángulo y una configuración determinada. Cuando un ángulo de doblado sea de 180º, las dos superficies opuestas de la probeta llegarán a ponerse en contacto o quedar dobladas a una distancia determinada por una cala que asegurará la separación. Se realiza con prensas o equipos que poseerán algunos de los siguientes dispositivos:

• Dos apoyos y un mandril de doblado.
• Matriz en forma de “V” y un dispositivo que se ajuste a ella.
• Una mordaza y un mandril.

Métodos de Ensayo

La aplicación de la carga tendrá lugar en el punto central entre apoyos.

1. Se realizará el doblado hasta alcanzar un ángulo determinado gracias a una fuerza adecuada.
2. Los extremos de la probeta se doblarán hasta quedar paralelos entre sí.
3. La muestra se dobla hasta que sus caras entran en contacto de forma directa.

Si no es posible realizar directamente y de una sola vez el ensayo, primero se podrá doblar la probeta hasta un ángulo. Luego se emplearán dos superficies paralelas que incidan directamente sobre la pieza semidoblada, de forma que se concluya el ensayo con los requisitos especificados.

Disposición, Forma y Dimensiones de las Probetas

Se partirá con la probeta colocada de forma perpendicular a la carga que se emplea para realizar el doblado. Podrá tener sección circular, cuadrada, rectangular o poligonal. La anchura de las muestras podrá ser variable; para piezas con anchura igual o menor de 20 mm se empleará directamente la que posee el producto. Cuando el material bruto posea una anchura superior a 20 mm, si el espesor de la misma es inferior a 3 mm, se respetará una anchura de 20 ± 5 mm. El espesor que tendrá el elemento será el siguiente: si se trata de chapas o similar se ensayará con el mismo espesor del producto. Si el espesor es mayor de 25 mm, se mecanizará una cara para rebajar la probeta a una dimensión que no supere los 25 mm. Si la muestra de ensayo fuese cilíndrica o poligonal, el diámetro o círculo inscrito no será superior a 30 mm.

Conclusión e Informe del Ensayo

Concluiremos la prueba con la documentación apropiada que acredite la forma de realizar el ensayo y los resultados obtenidos. Como mínimo, el informe deberá incluir:

1. Referencia a la norma que regula el ensayo.
2. Identificación completa de la probeta.
3. Forma y dimensiones.
4. Método empleado en el ensayo.
5. Particularidades relevantes.
6. Resultado obtenido.

Ensayo de Fluencia Viscosa (Creep)

Cuando un cuerpo está sometido a esfuerzos permanentes y elevadas temperaturas, se observan deformaciones progresivas a lo largo del tiempo. Este suceso recibe el nombre de **fluencia viscosa** o **creep**. Los parámetros que intervienen en la fluencia del material son:

• Las cargas: Para estudiar este factor, se mantendrán constantes la temperatura y el tiempo de duración del ensayo.
• La temperatura: Se mantendrán constantes la carga y el tiempo.
• El tiempo: Si mantenemos invariable la tensión y la temperatura aplicada a un cuerpo y estudiamos su alargamiento durante el transcurso del tiempo, distinguimos los siguientes periodos:

1. Periodo “O-A”: El material comienza a deformarse elásticamente.
2. Periodo “A-B”: En este punto comienza la fluencia primaria.
3. Periodo “B-C”: Conocido como fluencia secundaria.
4. Periodo “C-D”: De fluencia terciaria.

Este tipo de ensayos tienen una duración larga, ya que el tiempo de aplicación de cargas oscila entre 1000 y 10000 horas.

Ensayo de Embutido

El ensayo consiste en comprimir, mediante un punzón de cabeza esférica, una lámina, plancha o chapa, haciendo que el material fluya y se deforme plásticamente. Observaremos la aparición de la primera grieta en el casquete esférico realizado y determinaremos la distancia recorrida por el punzón desde que entra en contacto con la pieza hasta que se finaliza el ensayo (**grado de embutido**).

1. Se coloca la probeta en el dispositivo de anclaje.
2. Se aplica movimiento al punzón.
3. Simultáneamente a la operación anterior, se observa el proceso mediante un microscopio o instrumento adecuado para este fin.
4. En cuanto se detecte la primera grieta, se detendrá el ensayo.
5. Es aconsejable realizar tres mediciones sobre una misma probeta para obtener resultados más precisos y fiables.

Ensayo de Fatiga

Es muy habitual que los materiales tengan que trabajar bajo **esfuerzos variables**, tanto de magnitud como de sentido. Los elementos metálicos sometidos a **fatiga** van a poder romperse con esfuerzos inferiores a su carga de rotura, siempre y cuando la aplicación del esfuerzo tenga un valor determinado y se haya repetido un número determinado de veces. Si no se cumplen estas condiciones, la rotura no tendrá lugar. Es imposible determinar con exactitud el **límite de fatiga**, pues se deberá ensayar la probeta infinitamente.