Ensayos de materiales

La fotografía muestra una máquina universal de ensayos preparada para un ensayo de tracción sobre una probeta metálica, con sus cuatro elementos principales señalados. Describe la función de cada elemento de la leyenda: cuál aplica la carga y cómo se transmite a la probeta, cuál la sujeta y cuál mide su alargamiento. Explica también por qué la probeta tiene forma de «pesa de gimnasio», más estrecha en su zona central.

En un ensayo de tracción se obtienen la tensión $\sigma$ y la deformación unitaria $\varepsilon$. Indica las unidades de cada una en el Sistema Internacional y explica por qué $\varepsilon$ es adimensional y se expresa a menudo en porcentaje.

En un ensayo de tracción, una probeta cilíndrica de acero de $10\ \text{mm}$ de diámetro y $100\ \text{mm}$ de longitud inicial soporta una carga de $20\ \text{kN}$ y se alarga $0{,}12\ \text{mm}$. a) Calcula la tensión aplicada $\sigma = \frac{F}{S}$ en $\text{MPa}$ (recuerda que $1\ \text{MPa} = 1\ \text{N/mm}^2$). b) Calcula la deformación unitaria $\varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0}$. c) Razona si ese alargamiento sería visible a simple vista.

La figura muestra la curva tensión-deformación obtenida al ensayar a tracción una probeta de acero. a) Indica qué punto de la curva señala el interrogante y qué significa. b) Explica qué le ocurre a la probeta si se retira la carga desde el punto P. c) Nombra las dos zonas sombreadas A y B.

Algunos materiales no muestran un límite elástico claro en su curva. Explica qué es el límite elástico convencional del $0{,}2\,\%$ ($R_{p0{,}2}$): cómo se obtiene trazando una paralela a la zona elástica con una deformación remanente de $0{,}002$ y por qué se adoptó ese convenio internacional.

De la zona elástica de un ensayo de tracción se extraen estos dos puntos: a una tensión $\sigma_1 = 100\ \text{MPa}$ la deformación es $\varepsilon_1 = 0{,}0005$, y a $\sigma_2 = 300\ \text{MPa}$ la deformación es $\varepsilon_2 = 0{,}0015$. a) Calcula el módulo de Young del material, $E = \frac{\Delta \sigma}{\Delta \varepsilon}$, y exprésalo en $\text{GPa}$. b) Compara el resultado con el valor típico del acero ($E \approx 210\ \text{GPa}$) y comenta si la probeta podría ser de aluminio ($E \approx 70\ \text{GPa}$).

Tras romperse una probeta de $100\ \text{mm}$ de longitud inicial y $12\ \text{mm}$ de diámetro, las dos mitades juntas miden $118\ \text{mm}$ y el diámetro en la zona de rotura es de $8\ \text{mm}$. a) Calcula el alargamiento porcentual $A = \frac{L_f - L_0}{L_0} \cdot 100$. b) Calcula la estricción $Z = \frac{S_0 - S_f}{S_0} \cdot 100$ usando las secciones circulares. c) Razona qué indican ambos valores sobre la ductilidad del material.

Dos materiales ensayados dan estas curvas: el material 1 alcanza $800\ \text{MPa}$ con un alargamiento del $2\,\%$ y rotura sin estricción; el material 2 alcanza $400\ \text{MPa}$ con un alargamiento del $25\,\%$ y marcada estricción. Clasifícalos como frágil y dúctil, indica cuál absorbe más energía antes de romper (área bajo la curva) y elige uno para un gancho de grúa, justificándolo.

Explica qué es una probeta normalizada y por qué tiene una zona central calibrada más estrecha entre dos cabezas gruesas. ¿Qué ocurriría si el ensayo se hiciera sobre una barra cualquiera sin geometría controlada?

Describe en qué consiste un ensayo de dureza por penetración y explica la diferencia básica entre los métodos Brinell, Rockwell y Vickers (penetrador y lectura). ¿Por qué crees que la dureza es el ensayo mecánico más rápido de realizar en un taller?

La resiliencia se mide en julios. Explica qué representa físicamente ese valor (energía absorbida al romper la probeta entallada) y por qué un material puede ser muy duro y, a la vez, tener una resiliencia baja.

Explica en qué consiste el ensayo de resiliencia con péndulo Charpy: qué es la probeta entallada, qué mide exactamente el péndulo y qué propiedad del material se obtiene. Dos aceros dan resiliencias de $5\ \text{J}$ y $60\ \text{J}$ a temperatura ambiente: ¿cuál elegirías para la estructura de un puente en una zona con inviernos fríos y por qué?

Las normas de ensayo fijan con precisión las dimensiones de la probeta, el radio de sus hombros, la velocidad de aplicación de la carga y la temperatura. Analiza qué ocurriría con los resultados si cada laboratorio ensayara con probetas y velocidades distintas, y explica por qué la normalización es imprescindible para comparar fichas técnicas de materiales de proveedores diferentes.

Los ejes de las ruedas de un tren soportan millones de ciclos de carga muy por debajo del límite elástico. Explica qué es la fatiga de materiales, cómo se obtiene la curva de Wöhler (tensión frente a número de ciclos hasta rotura) y qué es el límite de fatiga de los aceros. ¿Por qué un eje debe inspeccionarse aunque nunca se haya superado su carga máxima de diseño?

Cinco probetas del mismo lote dan límites elásticos de $255$, $261$, $249$, $258$ y $302\ \text{MPa}$. a) Calcula la media y el valor máximo de la desviación respecto a ella. b) Razona si la probeta de $302\ \text{MPa}$ debería excluirse y con qué criterio estadístico. c) Explica qué valor debería publicarse como característico del material (media, mínimo, percentil) y por qué las normas lo definen de forma conservadora.