GENERALIDADES

 Descargar PDF

 

La Estática de los Sólidos es la parte de de la mecánica que estudia en forma gráfica-analítica las condiciones de equilibrio que deben cumplir las fuerzas exteriores o cargas aplicadas sobre cuerpos, a los que se los considera infinitamente resistentes e indeformables. Cuando las fuerzas exteriores están distribuidas en forma tal que se equilibran entre sí, el cuerpo se encuentra en reposo o equilibrio estático.

El estudio que realiza la estática, si bien permite comprobar el estado de equilibrio de un cuerpo teniendo en cuenta solamente las fuerzas que le son aplicables, no resulta completo si consideramos que los materiales pueden deformarse y romperse, por lo que corresponde a la Resistencia de Materiales determinar hasta qué límites pueden emplearse dichas fuerzas en condiciones de eficiencia y seguridad.

 

La Resistencia de Materiales no acepta, entonces, la hipótesis de la rigidez, sino que, considera la deformabilidad de los cuerpos y estudia las reacciones que se desarrollan en éstos con el objeto de contrarrestrar la acción de las fuerzas que le son aplicadas, efectos que tienen lugar aun cuando el material se encuentre en equilibrio estático.

El estudio de esta parte de la mecánica comprende dos ramas: una analítica, que dimensiona a los materiales en base a sus propiedades de deformación y resistencia, de manera que puedan cumplir sin inconvenientes su función dentro de la estructura o mecanismo a que pertenecen, y otra experimental, que se realiza en el Laboratorio de Ensayos de Materiales, que determina aquellas propiedades mediante el empleo de máquinas y accesorios especiales.

ENSAYOS DE MATERIALES

El laboratorio de Ensayos de Materiales está presente en el principio y fin de los proyectos, determina las propiedades mecánicas de los materiales mediante el empleo de equipos de gran sensibilidad y precisión, considerando las muchas causas que pueden modificarlas, para que el proyectista fije las tensiones de trabajo o admisibles o bien el alcance de la deformación máxima del mecanismo o estructura.

Una vez realizada la máquina o estructura, son los equipos del Laboratorio los que permiten verificarlas en su seguridad o condiciones de uso, dado que los proyectos no siempre parten de exactas teorías de cálculo cuando el material va a ser sometido a condiciones críticas de trabajo.

Analiza materiales de la planta de producción para determinar si sus propiedades resultan las previstas y en ensayos denominados no destructivos determina las propiedades mecánicas de los materiales en función de su dureza o estudia tensiones por métodos fotoelásticos.

En la terminología corriente resulta común denominar ensayos no destructivos a los que determinan fallas en los metales y soldaduras y que, si bien son realizados generalmente en el Laboratorio de Ensayos de Materiales, corresponden al "Laboratorio de Control de Calidad".

Íntimamente ligado a la Metalurgia, en muchos casos se incluye en el Laboratorio de Ensayos de Materiales el estudio cristalográfico de los metales (Laboratorio de Metalografía), para determinar calidades y todos los efectos capaces de alterar sus estructuras, de las que en principio dependen sus propiedades mecánicas.

Resumiendo, podemos decir, en forma general, que el Laboratorio de Ensayos de Materiales está presente en el proyecto, en el control de tensiones en máquinas y estructuras, en la detección de fallas, en el estudio de las estructuras cristalográficas de los metales y en la determinación de las causas que provocan la rotura de los materiales en servicios.

ESFUERZOS

La constitución de la materia en los sólidos presupone un estado de equilibrio entre las fuerzas de atracción y repulsión de sus elementos constituyentes (cohesión), o sea que, cuando no actúan sobre el cuerpo fuerzas exteriores, éste se mantendrá en equilibrio permanente y conservará, por lo tanto, su forma y dimensiones, teóricamente inalterables, durante un tiempo indefinido.

Al actuar fuerzas exteriores, se rompe el equilibrio interno y se modifican la atracción y repulsión, aumentando una con respecto a la otra según que la carga aplicada tienda a alejar o acercar los átomos, generándose por lo tanto una fuerza interna que tenderá a restaurar la cohesión; cuando ello no ocurre, el material se rompe.

Como consecuencia, la variación o diferencia en el equilibrio interno es la fuerza interior que tiende a oponerse al efecto aplicado.

La existencia de las fuerzas interiores puede justificarse gráficamente, sin entrar al estudio de la estructura atómica del material, realizando cortes hipotéticos en un cuerpo, sobre el que actúan cargas compatibles con su resistencia, al analizar qué fuerzas o sistemas de fuerzas debemos aplicar para que las partes no se desplacen.

En efecto, si tenemos en cuenta que cuando los cortes supuestos no se realizan subsisten en el interior del material las mismas condiciones, el equilibrio deberá ser mantenido por las fuerzas interiores, en cuyo caso comprobamos además el esfuerzo producido por el cuerpo, el que es posible medir con los valores y unidades de las fuerzas que lo originan.

La condición de equilibrio queda entonces:

Fexterior (carga) = Finterior (esfuerzo) (Kgf-N)

Si suponemos que las cargas aplicadas son perpendiculares a la sección transversal y se reparten uniformemente (igual intensidad en todos los puntos), el esfuerzo total sobre una sección podrá ser considerado igual a la resultante de las fuerzas interiores que actúan sobre la misma. Si esta sección es transversal, el esfuerzo total será normal, fig.a; en cambio, si presenta una determinada inclinación, fig.b, la resultante interna se descompone en sus componentes normales (PN) y tangenciales (PT), siendo por lo tanto posible hablar de esfuerzos normales y esfuerzos tangenciales.

Esta descomposición la impone el hecho real de que son los esfuerzos normales y tangenciales los que producen efectos singulares en el material.

El esfuerzo normal tiende a alcanzar un valor crítico para el cual se produce la decohesión de la estructura o fractura propiamente dicha, en cambio, el tangencial tenderá a generar deslizamientos de los elementos componentes, que pondrán de manifiesto la mayor o menor capacidad del material a ser deformado.

CLASIFICACIÓN DE LOS ESFUERZOS

Si bien la clasificación permite agrupar a los esfuerzos en normales y tangenciales, su individualización se obtiene analizando el efecto que producen en las secciones transversales. Podemos así distinguir cinco esfuerzos simples: tracción, compresión, flexión, torsión y corte.

ESFUERZOS NORMALES

Los esfuerzos normales son producidos por cargas o pares de fuerzas que tienden a trasladar (separar o acercar) a las secciones transversales en un determinado sentido. Pertenece a esta clasificación los esfuerzos de tracción, compresión y flexión.

TRACCIÓN y COMPRESIÓN

Se obtienen cuando las fuerzas exteriores, de igual magnitud, dirección y sentido contrario, tienden a estirar (tracción) o aplastar (compresión) el material según el eje en el que actúan.

FLEXIÓN

Tiene lugar cuando actúan pares de fuerzas perpendiculares al eje que tienden a producir el giro de las secciones transversales con respecto a las inmediatas. En este caso las cargas no actúan normalmente a las secciones transversales como en tracción y compresión, pero el flexionamiento provoca, en el sentido del eje longitudinal (eje neutro), efectos interiores similares a los de aquellos esfuerzos.

ESFUERZOS TANGENCIALES

Se denominan esfuerzos tangenciales o de deslizamiento a los generados por pares o cargas que, actuando en el plano de las secciones transversales, tienden a producir sus giros o deslizamientos (torsión y corte).

TORSIÓN

Se origina por efecto de pares de fuerzas que actúan sobre los ejes de las secciones transversales, produciendo el giro de las mismas en sus planos.

CORTE

Las fuerzas actúan normales al eje del cuerpo, desplazando entre sí las secciones inmediatas. En las estructuras o mecanismos generalmente actúan simultáneamente dos o más esfuerzos simples, obteniéndose los esfuerzos compuestos: flexo-torsión, tracción-compresión, etc.

TENSIÓN - RESISTENCIA

Los valores en kilogramos fuerzas (Kgf) o Newton (N) de los esfuerzos producidos en el material no dan una medida de la resistencia o capacidad para soportar las cargas que le pueden ser aplicadas, por ser función de sus dimensiones. Se impone, por lo tanto, que la valoración se efectúe refiriendo el esfuerzo a la unidad de sección, obteniéndose el esfuerzo unitario o tensión que puede definirse como la resistencia interna de la unidad de área a una carga o fuerza exterior.

La tensión puede ser también normal () o tangencial () según el esfuerzo que la origine.

Pa = pascal: unidad de tensión en el Sistema Internacional de Unidades (SI)

 

Entre las tensiones de mayor importancia para todos los materiales en general, mencionaremos la que convencionalmente se denomina tensión máxima, de rotura o resistencia, que se obtiene al considerar las cargas o momentos máximos según el tipo de esfuerzo aplicado.

Resumiendo, diremos que la resistencia es el valor que resulta de vincular a la carga o momento máximo soportado por el material, con sección inicial transversal o módulo resistente, y se representará con el símbolo que indique si el esfuerzo es normal () o tangencial (), el que llevará como subíndices: el modo de aplicación de la carga (E = estática; D = dinámica) y la primer letra del esfuerzo producido; así por ejemplo ET significa: resistencia estática a la tracción; ET : resistencia estática a la torsión.

ENSAYO DE LOS MATERIALES. OBJETO

El ensayo de los Materiales, en lo que atañe a la ingeniería, constituye una disciplina que se vincula básicamente con la tecnología de los materiales y de las estructuras. No obstante, ella tiene también relación con otras áreas; tal el caso de la Resistencia de los Materiales, la que se nutre, en gran parte, de las conclusiones que emanan de los ensayos. Estos, a su vez, se sustentan en aquélla para elaborar sus programas de investigación o esquemas de ensayos.

Puede afirmarse que el Ensayo de los Materiales y la Resistencia de los Materiales son áreas concomitantes que se influyen y nutren mutuamente. Sin embargo, el Ensayo de los Materiales tiene una fisonomía bien determinada, toda vez que, superado el aspecto fisicomatemático, esta disciplina adquiere un carácter definido, cuyos propósitos son apuntalar todo el esquema del mundo tecnológico del ingeniero en sus diversas especialidades.

La materia, cuyo nombre hace referencia a materiales, es mucho más vasta. Tomando en cuenta que para los diversos ensayos se dota a los materiales de formas determinadas, ya no es tan sólo el material el que es sometido a ensayo, sino también la estructura formada con el material en estudio. De ahí resulta que no siempre se obtiene una cifra de ensayo que tenga un significado simple y directo, sino que esa cifra debe correlacionarse con la propiedad que se está investigando.

El ensayo se puede realizar también sobre elementos de estructura o sobre partes estructurales, ya que, en último análisis, es esto lo que más importa, pues con un material adecuado es posible realizar una estructura buena o mala. Esto último es tanto más cierto cuanto más complicado resulta el cálculo de la estructura frente a su complejidad, que introduce ciertas indeterminaciones difíciles de abarcar en un esquema matemático simple.

El conocimiento de los materiales abarca todas las ramas de la ingeniería, ya se trate de estructuras o de máquinas, tanto en su proceso de elaboración como en el estado de acabado. En el primer caso, se trata de descubrir o controlar las propiedades de los materiales, mientras que en el segundo es la calidad del producto manufacturado lo que interesa. Para ello hace falta contar con procedimientos de ensayo bien estudiados, que sean ejecutados con aparatos adecuados. Todo ello se logra haciendo uso de las normas elaboradas al efecto.

El ensayo de los materiales abarca un panorama muy amplio porque su objeto puede consistir en efectuar tanto el estudio como el control de los materiales. El primer caso se refiere, indudablemente, a la fase más científica del ensayo de los materiales, puesto que se intenta investigar las propiedades de materiales nuevos o de aquellos, aún no del todo explorados.

En cuanto al ensayo de control, se trata de comprobar si un material dado responde a ciertas especificaciones que describen las características básicas a que el mismo se debe ajustar.

El ensayo de los materiales también puede tener por objeto elegir, entre materiales similares o diferentes, aquel que, por ejemplo, por sus características mecánicas satisfaga en mejores condiciones las exigencias de una especificación.

Dado que los ensayos responden a distintas finalidades, es obvio que éstos pueden ejecutarse de maneras muy diferentes. Todo depende de la información que se desea obtener y de la exactitud que se pretende. Así, tratándose de una barra de acero para estructuras de hormigón armado, basta con que sea ensayada a temperatura ambiente, sin otro requisito que el de aplicar la carga lentamente hasta provocar su rotura. En cambio, un alambre para hormigón pretensado, además del ensayo anterior exige otro de larga duración, en que se ponga de manifiesto su mayor o menor capacidad para mantener constante una carga bajo distintas temperaturas. Un cilindro de hormigón ensayado estática o dinámicamente se muestra como un material frágil, mientras que bajo el efecto de una carga sostenida durante un tiempo suficientemente prolongado se manifiesta como un material dúctil. Tanto una como la otra de las propiedades citadas han de estudiarse según sea el destino que se ha de dar al hormigón.

Los ensayos pueden tener por objeto la investigación de una propiedad particular; tal el caso de la determinación de la capacidad de amortiguamiento de un material o el comportamiento a altas o bajas temperaturas con miras a la predicción del comportamiento futuro, así como la interpretación de un comportamiento anómalo y otros. Esto último reviste particular importancia en el estado avanzado de la tecnología.

El descubrimiento de nuevos materiales -tales como las aleaciones livianas termo resistentes- implica efectuar, entre otros, ensayos exhaustivos acelerados con el objeto de predecir su comportamiento extrapolado a un tiempo predeterminado.

Los pocos ejemplos citados hasta aquí permiten formarse una idea de la disparidad que existe entre un tipo y otro de ensayo. En líneas generales, éstos pueden clasificarse en ensayos científicos, tecnológicos y de control.

La determinación de un módulo de elasticidad de un material constituye un ensayo científico, desde que equivale a fijar una constante que sirve de base para los cálculos de resistencias, por ejemplo, verificar la deformación probable de una estructura, el pandeo de una columna, la elástica de una viga, etc.

Contrariamente a lo que acontece con los ensayos de verificación o de control, el ensayo científico se debe ejecutar con la máxima precisión, puesto que sus resultados sirven para poner en evidencia propiedades aún no conocidas o bien para aplicarlos en la fundamentación de una teoría de cálculo o de un proceso tecnológico o de elaboración.

Un ensayo tecnológico tiene por objeto prever el comportamiento de un material, de un elemento estructural o de una estructura ante el uso al que serán destinados. Es por lo tanto un ensayo explorativo, en el que se aceleran las acciones para imitar lo mejor posible las condiciones a las que se someterá el producto en cualquiera de las formas citadas.

Muchas veces, tal ensayo es de fácil e inmediata realización. Por ejemplo, si se trata de una partida de caños de desagüe de hormigón, se extraen algunos de acuerdo con las leyes de muestreo, y se los somete ya sea a la prueba hidráulica o a la rotura con carga externa aplicada según un plano diametral.

En cambio, si se trata de verificar la resistencia al desgaste de un material, el ensayo no es tan inmediato. Existen dos caminos a seguir; uno consiste en someter el material a las condiciones normales de uso y observar su alteración en función del uso a través del tiempo. Ese camino es evidentemente largo, pero brinda un resultado que se ajusta a la realidad. Como ello no siempre es posible, se recurre a un ensayo acelerado de desgaste, improvisando un equipo que reproduzca lo más fielmente posible las condiciones de exposición, pero en un tiempo breve. La tarea más engorrosa será correlacionar ese resultado con las condiciones de desgaste por el uso normal del material.

Esa tarea de correlación es una de las tareas básicas de los ensayos, los que muchas veces tienen que habérselas con propiedades dispares, tal el caso de la correlación entre el módulo de elasticidad del hormigón y la resistencia del mismo a la compresión, tarea sumamente engorrosa pues el módulo del hormigón varía con la resistencia en forma no lineal.

El ensayo de control o ensayo propiamente dicho se distingue del ensayo científico en que, así como éste tiene por objeto reunir un cúmulo de información en forma ordenada y contable sobre las propiedades básicas de los materiales, el ensayo de control se apoya en procedimientos establecidos sobre la base de experiencias anteriores, condensadas en normas específicas que permiten encauzar todo el procedimiento dentro de límites bien precisos.

De ahí que el ensayo de control sea considerado también como ensayo de rutina para distinguirlo del ensayo científico, que tiene las características de un experimento o de una investigación.

En los ensayos de control se parte de la premisa de que se dispone de una orientación con respecto a la meta que se persigue. Es decir, se deben verificar ciertas características conocidas o preestablecidas por medio de especificaciones elaboradas previamente sobre la base de conocimientos ya adquiridos o de experiencias realizadas con antelación.

Por esa razón, el ensayo de control es también, un ensayo de comparación o un ensayo con fines de selección. Mediante este ensayo se establece un orden de preferencia entre una serie de productos destinados a un mismo fin.

En este tipo de ensayo se define un ordenamiento, de modo tal que se fijan límites de aceptación y, tácitamente, de rechazo cuando se establece que un producto B es mejor que otro C pero inferior a A. Dicho ordenamiento no es arbitrario sino que obedece, a normas que se elaboran previamente y que constituyen las herramientas de todo ensayo de control.

El ensayo de los materiales, cualquiera que sea su tipología, tiene por objeto determinar las propiedades de los materiales. Pero esas propiedades, vienen expresadas mediante ciertos números que surgen de mediciones preestablecidas por una técnica elaborada con antelación, cuya base es, precisamente, el ensayo científico.

De ese modo. si el ensayo proporciona datos que se pueden utilizar directamente para el proyecto de estructuras, es porque dicho ensayo mide una propiedad en forma adecuada y representativa.

Por otra parte, si el ensayo sirve tan sólo para identificar un material, lo cual implica también develar sus propiedades, pero en forma menos rigurosa, estamos en presencia de un ensayo corriente o de control, en contraposición con el primero que incursiona en la investigación.

No siempre es posible establecer una delimitación exacta entre uno y otro tipo de ensayo, si bien la pauta la da la precisión con que se opera en uno u otro caso. Ante un cúmulo de datos de ensayos, se debe observar el ámbito de dispersión con que se presentan esas cifras. Las razones de esa dispersión se pueden deber a la falta de precisión en las operaciones de ensayo o a las variaciones que surgen para una misma propiedad dentro de un lote del mismo material. Esto último, se debe a la falta de homogeneidad de los materiales, razón por la cual la elaboración de una cifra de ensayo requiere los recursos de la estadística para evaluar el problema en su verdadera magnitud, pues la variedad de cifras de ensayo se puede deber a la variación entre las muestras en sí, a la correlación entre las probetas ensayadas con las muestras y con el lote al cual pertenecen o a la relación entre el modelo y el prototipo cuando es ésa la técnica de ensayo empleada para el análisis o estudio de estados de tensión.

Cualquiera que sea el tipo de ensayo a encarar, requiere una programación previa que conduzca al resultado apetecido sin diversificar esfuerzos o con el mínimo de tanteos. Tratándose de ensayos de control, o de rutina, la labor queda simplificada al máximo, por cuanto se dispone generalmente de normas precisas que contienen todas las indicaciones pertinentes al ensayo a encarar.

Cuando no es ése el caso, o sea cuando es necesario programar ensayos que no son usuales, ya sea por la índole del material en estudio o porque se trata de un nuevo tipo de ensayo a encarar para un material conocido, o para un elemento estructural, dicha programación se debe realizar teniendo en cuenta los siguientes aspectos:

a) la naturaleza de los datos que se pretenden obtener del ensayo;

b) los ensayos más adecuados para conseguir esos datos;

c) las limitaciones del tipo de ensayo elegido;

d) la precisión con que se debe trabajar para obtener resultados contables;

e) la cantidad de muestras necesarias para lograr resultados representativos;

f) el tipo de probeta más adecuado para el ensayo.

Todas esas premisas obedecen al hecho de que todo ensayo, además de cumplir con los requisitos de economía indispensables para no encarecer una producción, debe ser no sólo significativo, lo cual es obvio, sino que debe ser reproducible en cualquier tiempo y circunstancia, de precisión conocida y, por lo tanto, contable. Además, al programar un ensayo se debe tener en cuenta el sentido de proporción que ha de guardar dicho ensayo con lo que pretende representar.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Los materiales, tanto los naturales como aquellos elaborados por el hombre, poseen propiedades características bien definidas, que han sido estudiadas a través de un tiempo suficientemente prolongado como para sacar conclusiones que permiten reconocerlos y clasificarlos en forma inequívoca.

Estas propiedades están íntimamente vinculadas con la constitución de los materiales, que arranca en la estructura atómica para dar lugar a la conformación cristalina de los metales y aleaciones, o bien a las cadenas características dé los materiales orgánicos que dan su nacimiento a los materiales fibrosos y amorfos, como es también el caso de los metaloides en muchas de sus combinaciones.

Los materiales que emplea la ingeniería muy pocas veces se presentan en forma de un metal o metaloide puro. Ello sólo acontece con los materiales naturales, tales como la madera, las resinas, los asfaltos y otros. En los demás casos, se está en presencia de combinaciones de dos o más elementos simples que originan materiales con características especiales de resistencia, durabilidad, rigidez, histéresis elástica, etcétera.

El objeto del ensayo de los materiales consiste en poner en evidencia a los materiales a través de sus propiedades o, dado el, caso, determinar las propiedades de materiales nuevos. En los ensayos de comprobación o verificación de materiales conocidos se trata de constatar la existencia de aquellas magnitudes físicas que caracterizan, precisamente, las propiedades de un material.

Todo este proceso puede ser facilitado en gran medida si previamente se efectúa un análisis químico para determinar los componentes que integran el material, porque de ese modo es posible aproximarse notoriamente a la dilucidación de una investigación.

Determinar las propiedades de un material no sólo implica hallar las constantes físicas que lo caracterizan. Mucho más importante, desde el punto de vista de la técnica, es determinar sus características mecánicas y tecnológicas; tal el caso de la resistencia a la tracción y la capacidad de alargamiento de un acero, la aptitud de una aleación para sufrir deformaciones durante un proceso de estampado, o bien la capacidad que tiene una viga de hormigón armado para deformarse por flexión sin que aparezcan fisuras inadmisibles en la zona traccionada, para citar tan sólo algunos ejemplos.

Desde el punto de vista del ensayo de los materiales interesa estudiar esas propiedades en su vinculación directa con el estado sólido, tal como se presenta en el uso cotidiano, ya que la incursión en el dominio del átomo pertenece a otra disciplina, cual es el estudio de la constitución íntima de los materiales, estudio que constituye un paso previo de todo conocimiento relativo a los mismos.

Veremos a continuación las principales propiedades de los materiales. Los medios y procedimientos de que dispone la técnica, para ponerlas de manifiesto se describen en otros capítulos de esta obra.

Desde el punto de vista de la clasificación de las propiedades de los materiales, el panorama es muy amplio, dado que éstas pueden agruparse del modo siguiente: físicas, químicas, fisicoquímicas, , mecánicas, térmicas, eléctricas, magnéticas, acústicas y ópticas.

Para el desarrollo de esta obra nos interesan básicamente las propiedades físicas y mecánicas. Las primeras comprenden las enumeradas
a continuación:

PROPIEDADES FÍSICAS


 

Propiedades mecánicas

La determinación de una o más propiedades de un material se traduce en el conocimiento más o menos exhaustivo del mismo, lo cual depende, en cada caso, de la naturaleza de la información que se quiere obtener.

No siempre es necesario averiguar todas las propiedades de un material; a veces, basta con sólo determinar aquellas directamente vinculadas con el uso que se hará del mismo. Hacerlo de otro modo, además de ser innecesario, acarrearía un gasto excesivo que haría antieconómico todo intento de ensayo. Para determinar las características de un acero destinado a la construcción, es suficiente efectuar un ensayo de tracción, sin necesidad de averiguar la composición química de ese acero, y menos aún la estructura metalográfica.

En cambio, cuando se estudia un acero para herramientas, estos dos últimos ensayos son imprescindibles, no así el ensayo de tracción, que puede suprimirse por completo.