Ejercicios: Ensayos de materiales

Explica qué es un ensayo de materiales y cuál es la diferencia entre un ensayo destructivo y uno no destructivo. Pon dos ejemplos de cada tipo e indica en qué situaciones conviene usar ensayos no destructivos.

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.

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?

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?

Distingue entre ensayos mecánicos (tracción, dureza, resiliencia) y ensayos tecnológicos (plegado, embutición, soldabilidad): qué mide cada familia y pon un ejemplo industrial de un ensayo tecnológico.

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.

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 la diferencia entre dureza y tenacidad con un ejemplo claro: el vidrio es muy duro (nadie lo raya con un cuchillo) pero poco tenaz. ¿Qué propiedad necesita el parabrisas de un coche y cómo se la proporciona el vidrio laminado?

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.

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.

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?

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.

En un ensayo Brinell con bola de $10\ \text{mm}$ y carga fija, la huella sobre el material A mide $4{,}0\ \text{mm}$ de diámetro y sobre el B, $2{,}5\ \text{mm}$. Razona, sin fórmulas, qué material es más duro y por qué; después explica por qué el método Brinell no sirve para piezas muy finas o muy pequeñas.

Un acero ensayado Charpy da $80\ \text{J}$ a $20\ ^\circ\text{C}$, $50\ \text{J}$ a $-20\ ^\circ\text{C}$ y $8\ \text{J}$ a $-60\ ^\circ\text{C}$. Representa mentalmente la curva resiliencia-temperatura, explica qué es la temperatura de transición dúctil-frágil y razona por qué este dato es crítico para estructuras en climas fríos (plataformas, barcos, gasoductos).

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.

Debes validar el material de la barandilla de una escalera pública: soportará empujes de personas, golpes ocasionales y estará a la intemperie. Diseña un plan de ensayos: qué propiedades hay que comprobar, qué ensayo concreto usarías para cada una (tracción, dureza, resiliencia, corrosión) y qué criterio de aceptación fijarías.

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 ($E \approx 70\ \text{GPa}$).

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?

Varios barcos soldados de la Segunda Guerra Mundial se partieron en mar frío sin apenas deformación previa. Analiza el fallo con los conceptos del tema: rotura frágil, temperatura de transición, concentración de tensiones en las esquinas y efecto de la soldadura. ¿Qué tres cambios de material o de diseño habrían evitado estos accidentes?

Un laboratorio descubre que su máquina de ensayos marca un $4\,\%$ más de fuerza de la real. Explica qué son la calibración y la trazabilidad metrológica (patrones, cadena de comparaciones hasta el patrón nacional), cómo afecta el error descubierto a todos los certificados emitidos y qué acciones correctivas corresponden.

Una soldadura de un depósito se inspecciona con perfiles de dureza: la zona afectada térmicamente da valores un $30\,\%$ superiores al metal base. Interpreta el resultado (microestructura endurecida por los ciclos térmicos), explica qué riesgo implica para la tenacidad de la unión y qué tratamiento posterior podría homogeneizar las propiedades.

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.