NOMBRE: GONZALO CHÁVEZ FABIAN PARRA MARCO MINA ASIGNATURA: LABORATORIO DE RESISTENCIA DE MATERIALES FACULTAD: INGENIERÍA CIVIL
PRACTICA DE LABORATORIO 0 TEMA: COMPRESION EN MAMPUESTOS MATERIAL: •
Mampuestos ( bloques)
•
Maquina de ensayos universales
OBJETIVOS
PRACTICA DE LABORATORIO 0 TEMA: COMPRESION EN MAMPUESTOS MATERIAL: •
Mampuestos ( bloques)
•
Maquina de ensayos universales
OBJETIVOS
Determinar los esfuerzos en tracción y compresión en diferentes tipos de materiales que se utilizan en la construcción a fin de comparar resultados para establecer la calidad de estos.
MARCO TEORICO Serán fabricado de hormigón, en forma de paralelepípedo, con uno o más huecos transversales en su interior, de modo que el volumen del material sólido sea del 50% al 75% del volumen total del elemento con un paso seco máximo de 6.5 Kg. por cada bloque. Los bloques serán lisos, compactos, de caras regulares y aristas vivas, ninguna de sus paredes tendrá un espesor inferior de 2 cm. Los bloques serán elaborados con cemento Pórtland, áridos finos y gruesos tales como: arena, grava, piedra partida, granulados volcánicos, piedra pómez y otros materiales inorgánicos inertes adecuados. El cemento y áridos que se utilicen en la elaboración de los bloques, cumplirán con la normativa INEN correspondiente. Los bloques de un mismo tipo deben tener dimensiones uniformes. No se permite variación mayor de 3 mm. Los bloques tendrán a los 28 días una mínima resistencia a la compresión de 4 MPa La absorción del agua no podrá ser mayor del 15%. Además se regirá a todo lo establecido en la NTE INEN 643. Bloques huecos de hormigón
MATERIALES Cemento, áridos naturales y áridos reciclados.
El material cementicio utilizado correspondió a un cemento de alta resistencia inicial elaborado sobre la base de clinker, escoria básica granulada de alto horno y yeso. De acuerdo a la NCh 148 of.68, se clasifica según su composición y resistencia como cemento Portland siderúrgico, grado alta resistencia. Según la norma ASTM C-595 (USA), se clasifica como Slag Modified Portland Cement. Según la Norma BS EN 197-1:2000, notación II/A-S. Las características técnicas del cemento utilizado se ilustran en la Tabla 1. 1. El árido natural utilizado, fino y grueso, corresponde corresponde a un material procesado, obtenido de lechos y ribera de cauces naturales, compuestos principalmente por partículas de dolomita, basalto, dacitas, andesitas, riolitas, arenisca, cuarzo y cuarcita (Moreno et al.1985). El tamaño máximo nominal del árido grueso utilizado en este estudio fue de 12.5 mm. Las características granulométricas y propiedades físicas del árido grueso natural utilizado se muestran en las Tablas 2 y 3, mientras que las características granulométricas y propiedades físicas del árido fino natural se ilustran en las Tablas 4 y 5. El árido reciclado utilizado en este trabajo se obtuvo de residuos de estructuras hormigón, principalmente de demoliciones de pavimentos, situadas en un botadero en ribera del río Cautín, IX región de Chile. Las estructuras de hormigón desechadas fueron pretrituradas en laboratorio con un martillo neumático con la finalidad de disminuir su tamaño a trozos de 10”, posteriormente los trozos de hormigón se procesaron en una planta chancadora y se seleccionaron por medio de tamices, obteniéndose un material de tamaño máximo nominal de 3”, los cuales fueron seleccionados en 12,5 mm, tamaño máximo utilizado en este estudio. Se consideró solo la fracción gruesa del árido reciclado
dentro de la mezcla utilizada. Las características granulométricas y propiedades físicas del árido grueso reciclado utilizado, se muestran en las Tablas 6 y 7. Tabla 1. Características técnicas del cemento utilizado Propiedades Portland Siderúrgico Grado De alta resistencia Características Físicas y Mecánicas Peso específico 3.0 (g/cm3) Expansión autoclave 0.05 (%) Fraguado inicial (h:m) 02:00 Fraguado final (h:m) 02:40 Resistencia a la compresión NCh 158 3 días 300 7 días 400 28 días 520 90 días 620 Características Químicas Perdidas por 2.0 calcinación (%) SO3 (%) 2.4 Clase
Tabla 2. Características granulométricas árido grueso natural ASTM Nº ½” 3/8” 4 8
mm 12.7 9.51 4.76 2.38
Porcentaje en peso que pasa 100 39.5 5.2 3.2
Tabla 3. Características físicas del árido grueso natural Propiedades Densidad aparente compactada (Kg/dm3) Densidad aparente suelta (Kg/dm3) Densidad real seca (Kg/dm3) Densidad real saturada sup. seca (Kg/dm3) Densidad neta (Kg/dm3) Absorción (%) Partículas menores a 0.08 mm (%)
1.58 1.47 2.66 2.7 2.76 1.43 0.08
Las características granulométricas y propiedades físicas de los áridos naturales finos y gruesos, y el árido reciclado grueso, fueron determinadas de acuerdo a las normas chilenas del Instituto Nacional de Normalización, NCh 163 Of 79, NCh 1116 EOf 77, NCh 1117 EOf 77, NCh 1223 EOf 77, NCh 1239 Of77 y NCh 166 Of 52.
Tabla 4. Características granulométricas árido fino natural ASTM Nº 3/8” 4 8 16 30 50 100
mm 9.51 4.76 2.38 1.19 0.595 0.297 0.149
Porcentaje en peso que pasa 100 94.5 69.5 54.2 39.4 16.1 4.4
Tabla 5. Características físicas del árido fino natural Propiedades Densidad aparente compactada (Kg/dm3) Densidad aparente suelta (Kg/dm3) Densidad real seca (Kg/dm3) Densidad real saturada sup. seca (Kg/dm3) Densidad neta (Kg/dm3) Absorción (%) Partículas menores a 0.08 mm (%) Impurezas orgánicas
1.7 1.59 2.59 2.65 2.74 2 1.5 2
Tabla 6. Características granulométricas árido grueso reciclado ASTM Nº ½” 3/8” 4 8
mm 12.7 9.51 4.76 2.38
Porcentaje en peso que pasa 100 62.7 21.3 16.1
PRUEBAS DE LABORATORIO PRUEBAS DE LABORATORIO Dosificaciones
Para calcular las proporciones de los distintos materiales utilizados en las mezclas se utilizó el método de dosificación Faury – Joisel (Zabaleta, 1996), que se basa en determinar las proporciones de los áridos en base al mejor ajuste a una curva granulométrica de referencia, en la que se considera al cemento como un elemento más de la mezcla. Las características de las mezclas utilizadas para elaborar los bloques con áridos naturales y áridos reciclados se ilustran en la Tabla 8. La notación de la mezcla indica los dos tipos de mezclas confeccionadas (AN, para los bloques compuestos solamente de áridos naturales y AR, para los bloques compuestos con árido grueso reciclados y árido fino natural), ambos tipos de mezclas fueron diseñadas para obtener una resistencia de compresión cúbica de 15 MPa a los 28 días (probetas cúbicas de 200 mm de arista), con un 90% de confianza, un tamaño máximo de 12.5 mm y asentamiento igual a 0 cm. según Nch 1019 E Of.74.
Fabricación de los bloques de hormigón
El bloque escogido para someterlo a este estudio es el codificado como clase A según la NCh 181 Of 67, de 140 ± 3 mm de ancho, 190 ± 3 mm de alto y 390 ± 3 mm de largo. El cemento y los áridos se mezclaron en seco, hasta que adquirieron un color uniforme. Luego se les añadió el agua y el conjunto se mezcló durante 1,5 minutos en la mezcladora mecánica. Posteriormente, la mezcla obtenida se introdujo en un molde metálico para luego ser compactada en una mesa vibradora marca Control, modelo C 158, con una frecuencia de 3.000 r.p.m.. Una vez que comenzaba a aparecer el agua en la cara superior de la mezcla se procedía a desmoldar cada uno de los bloques confeccionados, como se ilustra en la Fig.1. Tabla 7. Características físicas del árido grueso reciclado Propiedades Densidad aparente compactada (Kg/dm3) Densidad aparente suelta (Kg/dm3) Densidad real seca (Kg/dm3) Densidad real saturada sup. seca (Kg/dm3) Densidad neta (Kg/dm3) Absorción (%) Partículas menores a 0.08 mm (%)
1.43 1.34 2.47 2.55 2.67 3.03 1.71
Tabla 8. Dosificación en Kg. para 1 m3 de mezcla AN H-15 90 12.5 0 AR – H-15 90 12.5 0 Árido grueso Árido grueso 830 833 natural reciclado Árido fino natural 1170Árido fino natural 1004 Cemento ARI 240 Cemento ARI 240 Agua 168 Agua 180 Los bloques ya desmoldados se curaron en una sala a temperatura ambiente durante 6 horas, luego se ingresaron a un sala de curado a vapor, a una temperatura promedio de 20ºC, por 14 días. El proceso de curado finalizó en una sala a temperatura ambiente hasta los 28 días. Ensayos realizados
Los ensayos realizados a los bloques de hormigón según la NCh 182 of 55 conducen a determinar la calidad de los bloques destinados a construcciones por medio de la verificación de su resistencia mecánica a la compresión (Fig. 2), absorción de máxima de agua y contenido de humedad. Los ensayos de compresión de bloques se realizaron con una prensa marca Control, modelo C-6222 con una capacidad de carga máxima de 3000 KN, de acuerdo a la norma NCh 182. Of. 55. Se obtuvo el promedio de 5 bloques por cada tipo de mezcla, los cuales fueron ensayados a los 7, 14 y 28 días. La absorción máxima de agua y el contenido de humedad, se realizaron para cada tipo de bloques, los compuestos únicamente por áridos naturales y los que contenían su fracción gruesa de áridos reciclados, de acuerdo a lo señalado en la normativa.
RESULTADOS Y DISCUSION La Fig. 3 muestra el resultado del promedio de las resistencias a la compresión a los 7, 14 y 28 días de los bloques confeccionados completamente con árido natural y los confeccionados solo con la fracción gruesa de árido reciclado su mezcla.
Es posible apreciar que ambos bloques cumplieron con las resistencias exigidas por normativa NCh 181of 67, demostrando que el promedio de resistencias obtenidas a la compresión debe ser superior a los 45 kg/cm2 para el promedio de las 5 muestras a los 28 días, además la Fig. 3 ilustra la disminución de resistencia a la compresión de un 15 % en los bloques confeccionados con árido reciclado bajo las mismas condiciones que los bloques confeccionados completamente por áridos naturales.
Fig. 1: Bloque de hormigón recién desmoldado.
Fig. 2: Bloque sometido a ensayo de compresión. Topcu y Guncan (1995) llegaron a conclusiones similares en probetas de hormigón, utilizando diferentes porcentajes de adiciones del 0, 30, 50, 70 and 100 por ciento de árido reciclado en hormigones de prueba y obtuvieron una baja en los esfuerzos de compresión a medida que aumentaban los porcentajes de agregados reciclados. Por otra parte, Rakshvir y Barai (2006) concluyen que las resistencias a la compresión del hormigón decrecen hasta un 10 % en función del aumento de agregados reciclados en la mezcla de hormigón. De acuerdo a lo anterior y lo expuesto por Poon, et al. (2002), es posible afirmar que la adición de material granular reciclado en las mezclas de hormigón causa una perdida de resistencia a la compresión en bloques de hormigón, no tan significativa que impida el uso de este material, con la restricción de que se deben considerar adiciones inferiores a un 50% de agregado reciclado en la mezcla para evitar problemas de trabajabilidad de la mezcla y resistencia en los bloques. Se puede establecer que la metodología de diseño de mezclas de hormigón propuesta por Faury-Joisel utilizada para el diseño de bloques de hormigón, es adecuada, debido a que entrega proporciones de árido
grueso reciclado, acorde a lo postulado anteriormente; para el caso de las pruebas realizadas fue de un 36% en peso, respecto al resto de los componentes de la mezcla.
NORMA TECNICA ECUATORIANA NTE 0640:1993
Clasificación: Ubicación física: Titulo Español: Titulo Inglés: Carácter: Des regularización: Revisión: Fecha Publicación: Fecha aprobación: Nro. Acuerdo ministerial: Fecha acuerdo ministerial: Nro. Registro oficial: Fecha registro oficial: Descriptores temáticos: Categoría temática primaria: Categoría temática secundaria: ICS: CO: CDU: CIIU: Nombre Archivo PDF: Tamaño archivo PDF (kb): Páginas: Precio Nacional (Ecuador): Precio Internacional: Comité técnico: Miembros participantes: Bases de estudio: Estado: Resumen:
NTE BGBloques huecos de hormigón. Determinación de la resistencia a la compresión Hollow concrete blocks. Compressive strength determination Voluntaria *4 1. rev 1993-12-07 1993-09-07 534 1993-11-17 331 1993-12-07 Cemento, hormigon, bloque, bloques huecos, resistencia, compresion CONSTRUCCION 91.100.30 CO 02.08-301 691.327 3699
6 $ 1,32 $ 6,00 Elementos prefabricados de hormigon Norma Colombiana ICONTEC 247; Norma India IS 3590-1966; Norma Argentina IRAM 1521 Esta norma establece el método de ensayo de los bloques huecos de hormigón para determinar la resistencia a la compresión
DIMENSIONES
PROBETA
DETALLE
BLOQUE # 1
prensado
BLOQUE # 2
prensado
BLOQUE # 3
prensado
BLOQUE # 1
liviano
BLOQUE # 2
liviano
BLOQUE # 3
liviano
Longitud (cm) Altura 20 Largo 39 Espesor Altura Largo Espesor Altura Largo Espesor Altura Largo Espesor Altura Largo Espesor Altura Largo Espesor
Área (cm2)
ESFUERZO (kg/cm2)
320
25.1875
320
23.9375
320
23
320
10
320
8.3125
320
11.125
15.1 20 39.6 15.1 20 39 15.1 20 39 15.1 20 39 15.1 20 39 15.1
ORDINAL
DETALLE
ESFUERZO (kg/cm2)
BLOQUE # 1
prensado
25.1875
BLOQUE # 2
prensado
23.9375
BLOQUE # 3
prensado
23
BLOQUE # 1
liviano
10
BLOQUE # 2
liviano
8.3125
BLOQUE # 3
liviano
11.125
BLOQUES El bloque de concreto en la línea estándar estructural se fabrica en 5 diferentes medidas: 10, 12, 15 y 20 cms. de ancho, teniendo como constantes 20 cms. de altura y 40 cms. de largo. Además contamos con piezas accesorias como: medias piezas, piezas knock out para cadena o dala, con machimbre, etc. El bloque de concreto es una pieza prefabricada con forma de prisma recto y con uno o más huecos verticales, para su utilización en sistemas de mampostería simple o estructural, esto debido a la posibilidad de reforzar las piezas vertical y horizontalmente. Por sus propiedades, nuestra línea estándar estructural cumple con la norma NMX-C-404-ONNCCE-2005 – “Industria de la Construcción – Bloques, Tabiques o Ladrillos y Tabicones para uso Estructural - Especificaciones. El bloque de concreto es utilizado ampliamente en la construcción, desde viviendas de interés social a edificaciones comerciales e industriales. Sus principales aplicaciones son: - Muros estructurales - Muros de retención - Muros simples o divisorios - Bardas perimetrales Línea
Pieza cms.
Peso kgs.
Resistencia a la compresión NMX-C-036
Absorción NMX-C-037
Estructural Estándar Estándar Estándar Estándar
20 x 20 x 40 10 x 20 x 40 12 x 20 x 40 15 x 20 x 40 20 x 20 x 40
17.1 11.3 12.4 15.5 16.9
Mínima de 60 kgf/cm 2 Mínima de 40 kgf/cm 2 Mínima de 40 kgf/cm 2 Mínima de 40 kgf/cm 2 Mínima de 40 kgf/cm 2
12% 18% 18% 18% 18%
El bloque de concreto en albañilería
La construcción de muros con bloques de concreto es un procedimiento de construcción acreditado en los últimos 50 años, que cumple en especial con las condiciones técnico-económicas para ser empleado en la construcción y en especial en caso de viviendas económicas. En efecto, además de su costo reducido por metro cuadro de muro, ofrece las siguientes ventajas económicas:
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El empleo de bloques de concreto permite una reducción apreciable en la mano de obra con relación a otros sistemas, tanto por el menor número de unidades a colocar (12 ½ bloques por m 2 de pared), como por la simplificación de tareas.
El muro de bloques de concreto requiere menor cantidad de mortero, lo que significa economía de mano de obra y de materiales.
Los paramentos de la albañilería de bloques resultan lisos y regulares, por lo cual no exigen necesariamente revestimiento. Eventualmente se puede mejorar el aspecto con pintura de cemento. En caso que se especifica revestimiento, el espesor del revoque es reducido, por lo que se obtiene economía de materiales y de mano de obra
El empleo de bloques de concreto facilita el refuerzo del muro.
El muro con bloques de concreto presenta gran durabilidad y brinda al usuario confort térmico y acústico.
El bloque según la Norma El bloque de concreto se define según Norma como la unidad de albañilería, cuyas dimensiones normalizadas, en armonía con la coordinación modular, de manera que su alto es tal, que no debe exceder a su largo ni a seis veces su ancho.
Generalmente posee cavidades interiores transversales que pueden ser ciegas por uno de sus extremos y cuyos ejes son paralelos a una de las aristas. El bloque está constituido por cemento Portland, agregados como arena, piedra partida, gránulos volcánicos, escorias, u otros materiales inertes y agua
Unidades para Uso Estructural Medidas modulares Las medidas modulares para los distintos bloques de concreto, asentados como mortero de cemento son las siguientes:
Tabla N°1 – Dimensiones de la unidad Largo (&) Ancho (a) (cm) (cm) 19 29
Alto (h) (cm)
29
39
19
19
39
29
19
29
24
29
Para su utilización en albañilería armada y confinada puede emplearse unidades de las siguientes dimensiones:
Tabla N° 2. Dimensiones de la unidad Largo (&) (cm) 29
Ancho (a) (cm)
39
14
39
12
Alto (h) (cm)
14 19
Pueden adoptarse otras dimensiones en la elección de las medidas modulares de los bloques huecos de concreto, según la norma "Coordinación modular de la construcción, bloques huecos de concreto para muros y tabiques, medias modulares" (NTP 400.006). Quedan fuera de las prescripciones anteriores los bloques especiales para amarres y esquinas de albañilería.
Requisitos Generales para Unidades Estructurales y No Estructurales Acabado y Apariencia Todas las unidades deben estar en buenas condiciones y libres de grietas u otros defectos que podrían interferir con el adecuado empleo de la unidad o que podrían deteriorar significativamente la resistencia o la durabilidad de la construcción. Las grietas menores inherentes al método usual de fabricación o astillamientos menores resultantes de los métodos habituales de manipuleo en el envío y distribución no son causa de no aceptación. Cuando las unidades sean empleadas en construcción de muros expuestos la cara o las caras expuestas no deben mostrar astillamientos o agrietamientos, de otro modo no permitido, o otras imperfecciones que son vistas desde una distancia de no menos de 6 m bajo luz difusa. Se permite que el 5% de un envió tenga astillamiento no mayores que el 12,7 mm en alguna dimensión, o grietas no más anchas que 0,5 mm y no más largas que el 25%, de la altura nominal de la unidad. El color y la textura de las unidades debe ser especificado por el comprador. Las superficies acabadas que serán expuestas deben estar conformes a una muestra aprobada consistente de no menos de cuatro unidades, representando el rango de textura y color permitido. Cuando se requieren características particulares tales como texturas superficiales por apariencia o adherencia, acabado, color o propiedades particulares tales como clasificación del peso, mayor resistencia a la compresión, resistencia al fuego, performance térmico o acústico, estas características deben ser especificadas separadamente por el comprador.
Muestreo y Conformidad Selección de los especímenes para los ensayos Para propósitos de los ensayos, unidades enteras de albañilería de concreto serán seleccionadas por el comprador y el vendedor o sus representantes de acuerdo a lo establecido por un método aceptado para el muestreo aleatorio que acuerden o adopten. En todo caso las unidades deberán ser seleccionadas utilizando una tabla estadística de números aleatorios. Se deberá tener cuidado para que no se modifiquen las características de las unidades. Los especímenes serán representativos del lote total de unidades de los cuales han sido seleccionados. Si los especímenes para el ensayo son seleccionados en obra, las unidades para el ensayo del contenido de humedad serán muestreadas de la remesa del comprador y colocadas en un envase sellado hasta que el peso recibido. Los especímenes seleccionados tendrán configuración y dimensiones similares. El término "lote" se refiere a cualquier número de unidades de albañilería concreto de cualquier configuración o dimensión fabricado por el productor usando los mismos
materiales, diseño de mezcla de concreto, proceso de fabricación, y método de curado.
Numero de especímenes Para determinar la resistencia a la compresión, absorción, peso unitario (densidad), y contenido de humedad, se seleccionarán seis unidades de cada lote de 10 000 unidades o menos y 12 unidades de cada lote de más de 10 000 y menos de 100 000 unidades. Para lotes de más de 100 000 unidades, se seleccionarán seis unidades por cada 50 000 unidades o fracción. Especímenes adicionales se pueden tomar por acuerdo del comprador y el vendedor. Para su identificación se marca cada espécimen de manera que pueden ser identificados en cualquier momento. Las marcas cubrirán no más del 5% del área superficial del espécimen.
Se pesan las unidades para los ensayos del contenido de humedad inmediatamente después de muestreadas, serán marcadas y registradas con el peso r ecibido.
Informe Un informe completo incluirá lo siguiente: La resistencia a la compresión del área bruta con aproximación a las 0,1 Mpa por separado para cada espécimen y como el promedio para de especímenes. Para las unidades segmentadas de muros, reportar la resistencia a la compresión con aproximación a 0,1 Mpa, la relación altura espesor, y la resistencia a la compresión corregida por separado para cada espécimen según lo determinado por el apartado 9.6. También, reportar la resistencia a la compresión del promedio corregida para el conjunto de tres especímenes. La absorción y la densidad resultante por separado para cada unidad y como el promedio para las tres unidades según lo determinado, en caso sea necesario,
reportar la razón de la reducción de medida de los especímenes utilizados en el ensayo de absorción. El ancho, la altura, y la longitud promedios de cada espécimen según el método de ensayo normalizado. El espesor mínimo de la pared lateral del bloque como promedio de las medidas en cada uno de los tres especímenes. El espesor mínimo del tabique como promedio del espesor mínimo del tabique registrado para cada uno de los tres especímenes.
TIPO DE FRACTURAS MECÁNICAS EN LOS MATERIALES Las fracturas por tensión pueden clasificarse en cuanto a forma, textura y color. Los tipos de fractura, en lo respectivo a la forma, son simétricos: cono y copa, planos e irregulares. Varias descripciones de la textura son: sedosa, grano fino, grano grueso o granular, fibrosa o astillable, cristalina, vidriosa y mate. Ciertos materiales se identifican efectivamente por sus fracturas. El acero suave en forma de una probeta cilíndrica normal usualmente presentan un tipo de fractura de cono y copa de textura sedosa. El hierro forjado presenta una fractura dentada y fibrosa, mientras que la fractura típica del hierro fundido es gris, plana y granular. Un examen de la fractura puede arrojar una pista posible de los valores bajos de la resistencia o la ductilidad de la probeta. La carga no axial causara tipos asimétricos. La falta de simetría puede también ser causada por la heterogeneidad del material o un defecto o una falla de alguna clase, tal como la segregación, una burbuja, o una inclusión de material extraña, tal como la segregación, una burbuja, o una inclusión de material extraña, tal como la escoria. Sobre la superficie fracturada del material que haya sido trabajado en fió o posea una condición de esfuerzo interno, debida a ciertos tratamientos térmicos, frecuentemente existe una apariencia de rayos o vetas que irradian de algún punto cercano al centro de la sección; esta ocasionalmente es denominada “fractura de estrella”. Una descripción de la fractura debe incluirse en cada informe de ensayo, aun cuando su valor sea incidental para las fracturas normales. En la siguiente figura se muestran ilustraciones de un número de fracturas típicas.
Fractura copa y cono & Fractura plana. Como resultado de la triaxialidad de tensiones producida por la estricción, se alcanza una situación en la que las pequeñas inclusiones no metálicas que contiene el material en la zona estringida o bien se fracturan o bien se decohesionan de la matriz metálica produciendo microhuecos que crecen gradualmente al ir progresando la deformación plástica, hasta coalescer. De este modo se genera una fisura interna plana en forma de disco orientada normalmente a la dirección del esfuerzo aplicado. Finalmente, la rotura se completa por corte a lo largo de una superficie cónica orientada a unos 45º del eje de tracción, dando origen a la clásica fractura copa y cono que se ilustra en la Fig. (a). La producción de la rotura a lo largo de la superficie cónica tiene su origen en el hecho que a medida que el vértice de la fisura plana en forma de disco se acerca a la superficie de la barra, se pierde triaxialidad de tensiones porque la tensión normal a la superficie libre es nula. Por lo tanto, la constricción plástica disminuye y consecuentemente las tensiones de corte a 45º del eje se tornan preponderantes, lo que conduce a la rotura plástica a lo largo de tales planos. Si el material es frágil, o mediante una entalla superficial se induce un estado de triaxialidad superficial, tiende a suprimirse la zona cónica y se obtiene entonces una fractura plana como puede verse en la Fig. (b).
Tipos de falla: La fotografía de la figura muestra una falla dúctil (copa y cono) de una barra de acero microaleado del mismo diámetro. En la superficie se puede apreciar el inicio de la fractura (I) en el centro de la muestra y el labio de corte en la periferia (L).
Falla de barra de acero microaleado
Para el caso de los análisis microfractográficos, corresponde a una falla típica dúctil. En este caso se trata de un detalle de una barra de acero microaleado de 1 pulgada de diámetro en donde se aprecian micro hoyuelos ovalados.
Microfractografía de barra de acero microaleado
Las fotografías demuestran detalles de una falla frágil de una barra de acero termotratado de 7/8 de pulgada de diámetro. En la primera fotografía se observan en las zonas L y cerca de I, micro hoyuelos ovalados con silicatos en su interior (esta composición fue determinada por medio de la energía dispersiva por rayos X ). En la segunda fotografía se observa en una fractura intergranular observada en el Microscopio Electrónico de Barrido producida muy probablemente por fragilidad por hidrógeno.
Microfractografía de barra de acero termotratado
La Figura 6 (con la Figura 7 interpuesta) es un ejemplo de fallas de fatiga por doblez. Las fallas de fatiga por flexión pueden ser identificadas por una superficie de fractura a un ángulo, que se encontrará a cierto ángulo que no sea a 90° del eje del cuerpo de varilla. El ejemplo a la izquierda ilustra una fractura provocada pro una flexión de radio largo o arco gradual en el cuerpo de la varilla (el ejemplo a la izquierda en el Figura 7). La superficie de la fractura tiene un aspecto normal pero cuenta con un ángulo ligero cuando se compara con el eje del cuerpo de la varilla. El ejemplo del medio es un doblez de radio corto (ejemplo a la derecha en la Figura 7). La superficie de la fractura está a un ángulo mayor del eje del cuerpo de la varilla con una parte pequeña de fatiga y una parte grande de desgarramiento por tensión.
Fractura Es la separación de un sólido bajo tensión en dos o más piezas. En general, la fractura metálica puede clasificarse en dúctil y frágil. La fractura dúctil ocurre después de una intensa deformación plástica y se caracteriza por una lenta propagación de la grieta. La fractura frágil se produce a lo largo de planos cristalográficos llamados planos de fractura y tiene una rápida propagación de la grieta.
Energía de fractura por impacto para un acero al carbono
Mecanismos de fractura
Clivaje: Fracturas típicas en policristales. Fractura trasngranular Las grietas propagan cortando los granos.
Fractura intergranular Las grietas propagan a lo largo de las fronteras de grano.
Fractura dúctil Esta fractura ocurre bajo una intensa deformación plástica.
Fractura dúctil La fractura dúctil comienza con la formación de un cuello y la formación de cavidades dentro de la zona de estrangulamiento. Luego las cavidades se fusionan en una grieta en el centro de la muestra y se propaga hacia la superficie en dirección perpendicular a la tensión aplicada. Cuando se acerca a la superficie, la grieta cambia su dirección a 45° con respecto al eje de tensión y resulta una fractura de cono y embudo.
Fractura frágil La fractura frágil tiene lugar sin una apreciable deformación y debido a una rápida propagación de una grieta. Normalmente ocurre a lo largo de planos cristalográficos específicos denominados planos de fractura que son perpendiculares a la tensión aplicada. La mayoría de las fracturas frágiles son transgranulares o sea que se propagan a través de los granos. Pero si los límites de grano constituyen una zona de debilidad, es posible que la fractura se propague intergranularmente. Las bajas temperaturas y las altas deformaciones favorecen la fractura frágil.
Superficies dejadas por diferentes tipos de fractura. a) Fractura dúctil, b) Fractura moderadamente dúctil, c) Fractura frágil sin deformación plástica Tenacidad y pruebas de impacto La tenacidad es una medida de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturar. Evalúa la habilidad de un material de soportar un impacto sin fracturarse. Esta propiedad se valora mediante una prueba sencilla en una máquina de ensayos de impacto. Hay dos métodos diferentes para evaluar esta propiedad. Se denominan ensayos de Charpy y ensayo de Izod. La diferencia entre los dos radica en la forma como se posiciona la muestra. La probeta que se utiliza para ambos ensayos es una barra de sección transversal cuadrada dentro de la cual se ha realizado una talla en forma de V. Esta probeta se sostiene mediante mordazas paralelas que se localizan de forma horizontal en el ensayo tipo Charpy y de forma vertical en el ensayo tipo Izod. Se lanza un pesado péndulo desde una altura h conocida, este péndulo golpea la muestra al descender y la fractura. Si se conoce la masa del péndulo y la diferencia entre la altura final e inicial, se puede calcular la energía absorbida por la fractura. El ensayo de impacto genera datos útiles cuantitativos en cuanto a la resistencia del material al impacto. Sin embargo, no proporcionan datos adecuados para el diseño de secciones de materiales que contengan grietas o defectos. Este tipo de datos se obtiene desde la disciplina de la Mecánica de la Fractura, en la cual se realizan estudios teóricos y experimentales de la fractura de materiales estructurales que contienen grietas o defectos preexistentes.
Ensayo de tenacidad. La fractura de un material comienza en el lugar donde la concentración de tensión es lo más grande posible, como lo es la punta de una grieta. Supóngase una muestra de forma de placa bajo tensión uniaxial que contiene una grieta en el borde o en su interior. La tensión en la grieta es mayor en la punta de la grieta.
La intensidad de la tensión en la punta de la grieta es dependiente tanto de la tensión Aplicada como de la longitud de la grieta.
Tenacidad de Materiales Ingenieriles
Influencia de la temperatura En general, el aumento de temperatura favorece la deformación plástica (el deslizamiento de dislocaciones es más fácil), y las bajas temperaturas favorecen la fractura.
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Tensión de fluencia (movimiento de dislocaciones) disminuye al aumentar la temperatura.
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Resistencia a fractura (enlaces) casi independiente de la temperatura.
Fatiga Muchas aplicaciones industriales llevan asociada una carga cíclica en lugar de estática y en ese caso, los materiales se romperán a tensiones mucho menores que aquellas que puede soportar la pieza bajo la aplicación de una única tensión estática. La fatiga es el fenómeno general de fallo del material tras varios ciclos de aplicación de una tensión menor a la de rotura. Definición: rotura por fatiga se da como consecuencia de esfuerzos repetidos y variables debiéndose a un desmemizamiento de la estructura cristalina, con el consiguiente deslizamiento progresivo de los cristales, con producción de calor. El aspecto de las piezas rotas por fatiga presenta en su superficie de rotura dos zonas características que son: -
Una zona lisa, de estructura finísima y brillante: la rotura por fatiga se da después de un periodo relativamente largo.
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Una zona de cristales grandes, o de estructura fibrosa: cuando la rotura por fatiga se da instantáneamente debido a la disminución de sección.
Las circunstancias que influyen en la rotura por fatiga de un material metálico son: -
Estado de la superficie: el estado de esta tiene gran importancia sobre la rotura por fatiga.
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Variaciones de sección: el límite de fatiga se reduce por los cambios bruscos de sección no acordados con radios amplios, entalladuras de cualquier otra clase.
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Temperatura: en casi todos los materiales metálicos el aumento de temperatura por encima de cierto valor, disminuye el límite de fatiga.
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Tratamientos térmicos: las termones internas provocadas por tratamientos térmicos, crean localización de esfuerzos que pueden originar fisuras.
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Homogeneidad de la estructura cristalina: cuando la estructura no es homogénea puede suceder que los cristales más pequeñas, se acuñen entre las más grandes, originando fisuras y la consiguiente disminución de sección.
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Corrosión: cuando la corrosión existe no tiene tanto problema., pero si va actuando, cada punto de corrosión se convierte como si fuera una entalle rebajando notablemente el límite de fatiga.
Un esquema de la máquina típica para realizar un ensayo de fatiga se muestra en la figura. Aquí la probeta está sujeta a tensiones de compresión y extensión alternas de
igual magnitud mientras se rota. Se cuenta el número de ciclos que soporta la muestra antes de fallar y se realiza una gráfica Tensión vrs número de ciclos (en escala logarítmica)
Ensayo de fatiga Para los
materiales ferrosos, la perdida de resistencia con el número de ciclos alcanza un límite denominado Resistencia a la fatiga ó Límite de vida a fatiga. Los materiales no férreos no tienen un límite tan marcado, aunque la velocidad de pérdida de resistencia disminuye con el número de ciclos y en este caso se escoge un número de ciclos tal como para establecer el límite. La resistencia a la fatiga es como la cuarta parte o la mitad de la resistencia a la tracción.
Curvas de fatiga
Fluencia Cuando se realiza el ensayo de tensión - deformación a temperatura ambiente, se observa que el comportamiento elástico de la deformación se puede definir mediante la ley de Hooke y no cambia con la temperatura. Si este ensayo se realiza a temperatura elevada se observa que la deformación aumenta de forma gradual con el tiempo. Inicialmente se presenta una deformación elástica instantánea y luego una deformación plástica. La fluencia se puede definir como la deformación plástica que tiene lugar a temperatura elevada bajo una carga constante y durante un periodo largo de tiempo.
Ensayo de fluencia En la figura se observa una curva típica de termofluencia de un metal donde se destacan varias etapas en el comportamiento del metal ante el ensayo. Inicialmente ocurre una deformación elástica instantánea 0. Seguidamente la muestra exhibe una primera fluencia en la cual la velocidad de fluencia disminuye con el tiempo. La pendiente de la curva (de/dt = e ) se designa como velocidad de termofluencia. Después ocurre un segundo estado el cual la velocidad se hace esencialmente constante y se define por tanto como termofluencia de estado estacionario. Este es el parámetro de diseño que se considera para aplicaciones de larga vida. Finalmente ocurre un tercer estado en el cual la velocidad de termofluencia aumenta rápidamente con el tiempo hasta que se fractura.
Perno Fracturado
La muestra corresponde a un perno fracturado. El perno presenta recubrimiento de zinc, la falla se localizó a la altura del hilo número 13, empezando a contar desde la cabeza. Este corresponde al primer hilo de trabajo del perno, dado que hasta este punto se apretó la tuerca. La superficie de fractura presenta formación de óxidos férricos y ferrosos.
Fotografía 1 Vista Superior de la superficie de fractura. Se observa una falla de tipo dúctil con topología de baja a media rugosidad, típica de falla por sobrecarga en tensión y un poco de torsión. Las flechas muestran múltiples frentes de propagación de grietas a lo largo de la raíz del hilo de la rosca.
Fotografía 2 Vista en Perspectiva. Puede verse la deformación típica de copa y cono para falla dúctil en el diámetro mayor, acompañada de estrías “chevrons” que indican el lugar desde donde se propagan las grietas. El sector 1 muestra el primer plano de propagación de falla, a velocidad media. El sector 2, por su baja rugosidad, indica una rápida propagación de las grietas. En el sector 3, se puede observar una alta rugosidad en el material libre de corrosión, que falló por sobrecarga en tensión al final.
Fotografía 3 Detalle de la raíz del filete en el hilo decimotercero mostrando que no existió un concentrador de esfuerzos adicional a la misma raíz. La diferencia de colores en las superficies de fractura evidencia la diferencia de velocidades de propagación de grietas.
Fotografía 4 Se observan las superficies de fractura del segundo fragmento de perno analizado. Es interesante ver como se propagaron las grietas desde toda la longitud de la raíz del hilo de la rosca hacia el interior, generando dos planos paralelos de fractura a la altura del hilo No. 13.
Estudio macroscópico Mediante el estudio macroscópico óptico de baja amplificación (máximo 20x) es posible determinar las características básicas de la falla que se Este analizando. La figura (1) muestra la sección transversal de los cables. El cable consiste de seis torones de acero conformados cada uno por 19 alambres de tres diámetros diferentes y un centro (o alma) polimérico blando.
Figura 1: Sección transversal de los cables La
figura (2) (izquierda) muestra la zona fracturada del cable 1. Note que la fr actura de este cable se produjo en una zona intermedia del cable a unos 20 cm del acople. Mientras que la figura (2) (derecha) muestra la zona fracturada del cable 2. En este caso,a diferencia del cable 1, la falla se produce en la zona de acople.
Figura 2: Cable 1 (izquierda). Cable 2 (derecha)
En la figura (3) se puede observar uno de los alambres fracturados del cable 1. Este tipo de falla fue encontrado típicamente en los diferentes filamentos de este cable. Este tipo de fractura, denominada copa y cono, es comúnmente encontrada en metales dúctiles sometidos a cargas excesivas.
Figura 3: Fractura típica de los filamentos del cable En la figura (4) (izquierda) se muestran tres de los torones fracturados del cable 2. Note que dichos alambres presentan ruptura perpendicular al eje longitudinal. En la figura (4) (derecha), por otra parte, se puede apreciar la zona fracturada de dichos alambres. Es importante resaltar que en esta zona la falla se presenta sin reducción de área, opuesto al caso del cable 1 (figura 3). Este tipo de fractura ocurre comúnmente en materiales frágiles o dúctiles expuestos a cargas repetitivas de fatiga.
Figura 4: Fractura de cable 2 Un examen microscópico a mayor amplificación de una de las zonas fracturadas del cable 2 se presenta en la figura (5). En esta figura es importante notar la zona estriada a la izquierda del alambre. Este tipo de marcas, llamadas marcas de playa, son generalmente asociadas a fallas ocasionadas por cargas cíclicas causantes de fatiga en el material.
