1 ENSAYO DE TENSION

1.1 REQUERIMIENTOS PARA PROBETAS DE TENSIÓN.

Las probetas para ensayos de tensión

se hacen en una variedad de formas. La sección

transversal de la probeta es redonda, cuadrada,

o rectangular. Para los metales, si una pieza de

suficiente grueso puede obtenerse de tal manera

que pueda ser fácilmente maquinada, se usa

comúnmente una probeta redonda; para láminas

y placas en almacenamiento usualmente se

emplea una probeta plana. La porción central del

tramo es usualmente de sección menor que los

extremos para provocar que la falla ocurra en

una sección donde los esfuerzos no resulten afectados por los dispositivos de sujeción. La

nomenclatura típica para las probetas de tensión se indica en la Fig. 5.1. El tramo de calibración es

el tramo marcado sobre el cual se toman las mediciones de alargamiento o extensómetro.

Los extremos de las probetas redondas pueden ser simples, cabeceados, o roscados. Los

extremos simples deben ser suficientemente largos para adaptarse a algún tipo de mordazas

cuneiformes.

La relación entre el diámetro o ancho del extremo y el diámetro o ancho de la sección

reducida, es determinada en gran parte por la costumbre, aunque para los materiales quebradizos

es importante tener los extremos suficientemente grandes para evitar la falla debida a la

combinación del esfuerzo axial y los esfuerzos debidos a la acción de las mordazas. El efecto del

cambio de sección sobre la distribución del esfuerzo, es prácticamente inapreciable a distancias

mayores de más o menos uno o dos diámetros desde el cambio.

Para obtener una uniforme

distribución del esfuerzo, a través de las

secciones críticas, la porción reducida de la

pieza frecuentemente se hace con los lados

paralelos a todo su largo, aunque muchos

tipos de probetas se hacen con un desviaje

gradual desde ambos lados de la sección

reducida hasta su tramo central. Las probetas

de algunos materiales, son curvas a lo largo

de toda la porción central de su longitud para

impedir la ruptura en o cerca de las grapas; en esas probetas el esfuerzo no es uniforme sobre la

sección critica; y rodas las dimensiones de la probeta deben normalizarse para obtener resultados

comparables.

Una probeta debe ser simétrica con respecto a un eje longitudinal a toda su longitud, para

evitar la flexión durante la aplicación de la carga. La Fig. 5.2 ilustra los defectos comunes en la

preparación de probetas planas.

El tramo de calibración siempre es un poco menor que la distancia entre las cabeceras,

pero la práctica con respecto a la relación entre estos dos tramos no es uniforme. Si se han de

tomar mediciones de extensómetro, se considera deseable que el tramo de calibración sea más

corto que la distancia entre las cabeceras; cuando menos el equivalente a dos veces el diámetro

de la probeta. Los puntos extremos del tramo calibrado deben ser equidistantes del centro del

tramo de la sección reducida.

El porcentaje de alargamiento de una probeta de metal dúctil de diámetro dado, depende

del tramo de calibración a lo largo del cual se toman las mediciones. Se ha establecido por medio

de muchos ensayos que el alargamiento es prácticamente constante para piezas de varios

tamaños, si las piezas son geométricamente similares. Para las probetas cilíndricas de metales

dúctiles, la ASTM (ASTM E 8) exige un tramo de calibración de cuatro veces el diámetro. Para las

probetas mayores de metal ferroso, varías especificaciones de la ASTM (ASTM A 7, A 15) utilizan

algún tramo de calibración y algún grueso o diámetro como base; y el efecto de los diferentes

gruesos o diámetros se toma en cuenta por medio de deducciones del alargamiento permisible, de

acuerdo con una regla estipulada.

La probeta de tensión redonda para

metales dúctiles ASTM Estándar mostrada

en la Fig. 5.3a frecuentemente se hace de

0.505 plg de diámetro para tener un área

seccional exactamente de 0.200 plg2.

Pueden utilizarse probetas más pequeñas,

siempre y cuando el tramo de calibración

sea de cuatro veces el diámetro de la

probeta. Si se hace un adelgazamiento, la

diferencia de diámetro entre los extremos y

el centro del tramo de calibración, no debe

exceder de 1 % aproximadamente. Las

probetas tomadas de placa y secciones

planas se muestran en las Figs. 5.3b y

5.3c. Las ligeras variantes de estos tipos de

probetas pueden encontrarse en varias

especificaciones particulares.

La forma de la probeta ASTM

Estándar para el hierro fundido se muestra

en la Fig. 5.4. se usan tres tamaños, cuyas

principales dimensiones ,se muestran en la

figura.

La probeta ASTM Estándar para

matrices metálicas fundidas es de 0.25 plg de diámetro y lleva una barra de' 3 plg de radio y un

tramo de calibración de 2 plg. Por lo demás, es semejante a la probeta mostrada en la Fig. 5.3a.

Las probetas provenientes de barras, varillas o alambres, usualmente tienen el área seccional

completa del producto que representan. Cuando resulta práctico, el tramo de calibración debe

tener cuatro veces el diámetro de la probeta, aunque para tamaños de % plg y menores, se usa

frecuentemente un tramo de calibración de 10 plg. Los ensayos de tensíón de cable de alambre se

realizan sobre tramos cortados de cable comercial. Los extremos se sujetan en moldes especiales

rellenados con cine, que haya sido vertido en estado de derretimiento alrededor de los extremos

aplanados del cable.

La probeta para ensayo de tensión ASTM Estándar para madera se muestra en la Fig. 5.5. Las

probetas de mortero de cemento Portland para ensayos de tensión, según las normas ASTM, se

muestran en la Fig. 5.6. La forma de una probeta que se usa para materiales eléctricos aislantes

moldeados, se muestra en la Fig. 5.7 (ASTM D 651).

1.2 DISPOSITIVOS DE MONTAJE

La función de los dispositivos de montaje es transmitir la carga desde los puentes de la

máquina de ensaye hasta la probeta. El requerimiento esencial del dispositivo de montaje es que la

carga sea transmitida axialmente a la probeta; esto implica que los centros de acción de las

mordazas estén alineados al principio y durante el progreso del ensayo, y que no se introduzca

ninguna flexión o torsión por la acción, o una falla en la acción de las mordazas. Además, por

supuesto, el dispositivo debe estar adecuadamente diseñado para soportar las cargas y no debe

aflojarse durante un ensayo.

Las mordazas, ilustradas en la Fig. 5.8, son un tipo común de dispositivo de montaje.

Resultan satisfactorias para ensayos comerciales de probetas de metal dúctil de longitud

adecuada, porque una ligera flexión o torsión no parece afectar la resistencia y el alargamiento de

los materiales dúctiles. No puede hacerse ningún ajuste para impedir la flexión al usar mordazas

de esta clase. Las mordazas del tipo de cuña son usualmente satisfactorias para usarse con

materiales quebradizos, porque la acción presionante de las mordazas tiende a causar la falla en o

cerca de las mordazas. Las caras de las mordazas que tocan la probeta se hacen ásperas o

estriadas para reducir el deslizamiento; para las probetas planas las caras de las mordazas son

también planas, y para las probetas cilíndricas, las mordazas llevan una ranura en V do tamaño

adecuado. El ajuste se hace por medio de tablillas o alineadores, de modo que el eje de la probeta

coincida con el centro de los puentes de la máquina de ensaye y las mordazas queden

apropiadamente ubicarlas en la cabecera. Las posiciones correctas e incorrectas de los

sujetadores se ilustran en la Fig. 5.9.

Un dibujo esquemático de un dispositivo que utiliza cojinetes esféricamente asentados en

los cabezales de la máquina de ensaye, se muestra en la Fig. 5.10 (ASTM E B). Un dispositivo

para sujetar adecuadamente probetas delgadas de lámina metálica y alambre se ilustra en la Fig.

5.11. Un dispositivo para ensayar alambre se muestra en la Fig. 5.12.

El tipo de sujetador usado para ensayos de briquetas de mortero se muestra en la Fig.

5.13. Un tipo común de molde para cable de alambre se muestra en la Fig. 5.14.

Para ensayar probetas prismáticas de concreto, se pegan placas rígidas de acero a los

extremos usando un cemento epóxico. Entonces se aplican cargas tensivas a varillas axiales de

acero esféricamente asentadas, conectadas a las placas extremales. Como el cemento epóxico es

más fuerte que el concreto, la falla siempre ocurre en el concreto.

Otro tipo de ensayo para determinar la resistencia a la tensión del concreto, es un ensayo de

tensión por hendido comprendido en la ASTM C 496-62T. como se muestra en la Fig. 5.15 utiliza

un cilindro normal de 6” por 12”el cual se carga en compresión a lo largo de las líneas axiales con

una separación de 180 °. La resistencia a la tensión por hendido se computa de α=2P/πld.

α=resistencia a la tensión por hendido, lb/plg2

P=carga máxima aplicada, lb l= longiud, plg. d=diámetro, plg.

1.3 REALIZACION DEL ENSAYO.

En el ensayo comercial de tensión de los metales, las propiedades usualmente

determinadas son la resistencia a la cedencia, la resistencia a la tensión, la ductilidad y el tipo de la

fractura. Para material quebradizo, solamente la resistencia a la tensión y el carácter de la fractura

se determinan comúnmente. En ensayos más completos, como en una gran parte de la labor de

investigación las determinaciones de las relaciones entre esfuerzo y deformación, el modulo de

elasticidad y otras propiedades mecánicas, se incluyen.

Previamente a la aplicación de cargas a una probeta, sus dimensiones se miden.

Ocasionalmente, se puede requerir el peso unitario, requiriendo determinaciones de peso y

volumen. Las mediciones lineales se hacen con báscula, separadores y escala, o micrómetros,

dependiendo de la dimensión a determinar y la precisión a alcanzar. En el caso más simple,

solamente el diámetro o el ancho y el grueso de la sección crítica se miden. Las dimensiones

seccionales transversales de las probetas metálicas deben ordinariamente tomarse con una

precisión de aproximadamente 0.5%. Excepto para diámetros pequeños y láminas delgadas, las

mediciones hasta 0.001 plg satisfacen este requerimiento. En las probetas cilíndricas, las

mediciones deben hacerse sobre dos diámetros cuando menos, mutuamente perpendiculares.

Sobre probetas de metal dúctil-de tamaño ordinario, esto se hace con un punzón de

centros; pero sobre láminas delgadas, o material quebradizo, deben usarse rayas finas. En

cualquier caso, las marcas deben ser muy ligeras para no dañar el metal, influyendo así en la

ruptura. Cuando se usa un tramo de calibración de 8 plg en probetas de acero, las marcas se

hacen con 1 plg de separación.

Antes de usar una máquina de ensaye por primera vez, el operador debe familiarizarse

con la máquina, sus controles, sus velocidades, la acción del mecanismo de carga y el valor de las

graduaciones del indicador de carga. Antes de poner una probeta en una máquina debe

comprobarse que el dispositivo de carga de la máquina dé la indicación de carga cero y se hagan

los ajustes si fuere necesario.

Cuando se coloca una probeta en una máquina, el dispositivo de sujeción debe revisarse

para cerciorarse de que funcione debidamente. Si se usan topes o guarniciones para impedir que

las mordazas se boten de los dados al ocurrir una falla súbita, los topes deben fijarse en posición.

La probeta debe colocarse de tal manera que resulte conveniente para hacer observaciones en las

líneas de calibración.

Si se ha de utilizar un extensómetro, el valor de las divisiones del indicador y la relación de

multiplicación deben determinarse-entes de colocar el extensómetro sobre la probeta. Debe

colocársele centralmente sobre la probeta y alinearse debidamente. Cuando se usan

extensómetros del tipo de collares, el eje de la probeta y el del extensómetro deben hacerse

coincidir. Después de sujetársele en posición, la barra espaciadora (en caso de existir) se retira y

los ajustes se revisan. Frecuentemente una pequeña carga inicial se coloca sobre la probeta, antes

de poner el extensómetro en posición de cero,

La velocidad del ensaye no debe ser mayor que aquella a la cual las lecturas de carga y

otras pueden tomarse con el grado de exactitud deseado, y si la velocidad de ensaye ejerce una

influencia apreciable sobre las propiedades del material, el ritmo de deformación de la pieza de

ensayo debe quedar dentro de límites definidos, aunque los estudios han indicado que pueden ser

razonablemente amplios.

Varios requerimientos de la ASTM sobre las velocidades de ensaye, se muestran como

una guía general en la Tabla 5.1.

Las velocidades mostradas para probetas metálicas son los valores máximos; las

velocidades pueden ser más bajas y frecuentemente se utilizan. Para ensayos que involucren

determinaciones del punto de cedencia por medio del descenso de la vigueta, la del indicador de

carga, o de separadores, una velocidad de deformación correspondiente a una velocidad de la

cruceta, de aproximadamente 0.05 plg/min, probablemente represente una práctica ordinaria,

aunque en los ensayos de laminación, las velocidades más altas no son raras.

Para ensayos que involucren mediciones extenso métricas la carga se aplica ya sea en

incrementos, y la carga y la deformación se leen al final de cada incremento, o se aplica

continuamente a una velocidad lenta, y la carga y la deformación se observan simultáneamente. El

segundo método se considera preferible.

A LA CEDENCIA

A LA

RESISTENCIA

ULTIMA

MATERIALES

MECALICOS

E8

Tramo de

calibracion de

0.5 por plg.

PRODUCTOS DE ACERO A 370

HIERRO FUNDIDO GRISA 48

0.125 sobre 15

kips/plg2

PLASTICOS

HULE DURO D 530

HULE SUABE

VULCANIZADOD 412

MADERA

PARALELAMENTE A LA

FIBRA0.05

PERPENDICULARMENTE

A LA FIBRA0.10

BRIQUETAS DE

MORTERO DE

CEMENTO

C 190600 +- 2.5

lb/min

Velocidad de viaje especificado

de mordazas cuneiformes de

prspulsión motorizada

2.9-3.1

lb/seg.

D 638

MATERIAL DE ENSAYEREFERENCIA

DE LA ASTM

MAXIMA VELOCIDAD DEL

PUENTE plg/minVELOCIDAD

Y CARGA

D 143

Tramo de

calibracion de

0.062 por plg.

Máximo de

100

kips/plg2 a

la cedencia.

0.05* 0.20-0.25*

20 +- 1

ACERO

SUAVECARCA lb (1)

LECTURA

CARACTULA

plg. (2)

ESFUERZO

pl/plg2

DEFORMACION

plg/plg.CARGA lb

LECTURA

ESCALAR, plg.

ESFUERZO

lb/plg2.

DEFORMACION

plg/plg.

A618 3410 0.002 4330 0.000125 31800 0.10 40400 0.0125

18.5 6450 0.004 8200 0.00025 37200 0.20 47300 0.0250

11.2 9160 0.006 11640 0.000375 41400 0.30 52600 0.0375

8.00 12370 0.008 15720 0.000500 47200 0.50 60000 0.0625

1.25 14830 0.010 18860 0.000625 50200 0.70 63800 0.0875

1.001 18200 0.012 22900 0.000750 52200 0.90 66300 0.1125

2.5 20780 0.014 26400 0.000875 53100 1.10 67500 0.1375

0.613 23640 0.016 30000 0.001000 53400 1.30 67900 0.1625

DEFORMACION DE CEDENCIA 0.05 26370 0.018 33500 0.001125 53500 1.50 68000 0.1875

DEPUES DE LA CEDENCIA 0.2 29250 0.02 37200 0.00125 53300 1.70 67700 0.2125

Notas: 31600 0.022 40200 0.001375 53300 1.90 67300 0.2375

(1) Máquina Olsen de 60.000 lb (no 12) 31710 0.023 40300 0.00144 52000 2.10 66100 0.2625

31520 0.024 40000 0.00150 38800 2.50 49300 0.3125

31390 0.030 39900 0.00188

31100 0.040 39500 0.00250

31630 0.050 40200 0.00312

Alargamiento en cada pulgada 31650 0.075 40200 0.00469

.20, .22, .25, .35, .78, .27, .23, .20 31700 0.100 40300 0.00625

RUPTURA (3)

(2) Estensiómetro caratular federal con

miltiplicador de 2 (no 61)

(3) Fractura de cono y cráter de tres cuartos de

grno fino al centro, sedoso en el borde

LONGITUD DE CABECERA, plg

VELOCIDAD DE LA

MAQUINA, plg/min

MATERIAL

MARCA O NUMERO

LONGITUD TOTAL DE LA PROBETA, plg.

TRAMO DE CALIBRACION, plg.

DIAMETRO DE LOS EXTREMOS, plg.

DIAMETRO DE LA SECCION REDUCIDA, plg.

ALARGAMIENTO EN 8 plg, plg.

DIAMETRO DE LA SECCION RUPTURADA, plg.

Dentro del rango elástico, por supuesto, la velocidad de carga puede computarse

rápidamente de la velocidad de deformación: Un estudio de la práctica, realizado hace algunos

años, indicó que más de un 50 % de los laboratorios involucrados usaban velocidades de carga

dentro de los límites de 10 a 70 kips* /plg2 por minuto. Algunos usaban velocidades de carga hasta

de 1 000 kíps /plg2 por minuto para el acero. Una máxima velocidad de carga de 100 kíps/plg

2 por

minuto ha sido sugerida para determinaciones del punto de cedencia de los materiales metálicos

(ASTM E 8).

Después de que la probeta ha fallado, se le retira de la máquina de ensaye, y si se requieren

valores de alargamiento, los extremos rotos de una probeta se juntan y se mide la distancia entre

los puntos de referencia con una escala o un separador hasta el 0.01 plg más cercano. El diámetro

de la sección más pequeña se puede calibrar preferiblemente con,' un separador micrométrico

equipado con un huso puntiagudo y un yunque o tas, para determinar la reducción del área. Debe

emplearse el mismo grado de precisión que se haya usado para medir el diámetro original.

1.4 OBSERVACIONES DE ENSAYO

La identificación de las marcas y la información similar pertinente se anotan. Las

dimensiones originales y finales, así como las cargas críticas, se registran al observarse. Si las

mediciones extenso métricas se hacen manualmente, se lleva una bitácora de las cargas y las

deformaciones correspondientes.

Algunas máquinas de ensaye están equipadas con un aditamento automático para trazar el

diagrama de esfuerzo y deformación. Se anotan, la característica de la fractura y la presencia de

algunos defectos. También se anotan en las bitácoras las condiciones del ensayo, particularmente

el tipo del equipo usado y la rapidez del ensaye:

Las deformaciones, esfuerzos, porcentaje de elongación y reducción del área se calculan

sobre la base de las dimensiones originales. Una bitácora y un diagrama esfuerzo-deformación

preparadas con ellos, se muestran en la Fig. 5.17. La bitácora contiene casi toda la información

pertinente de un ensayo de tensión, pero no se supone que sea completa, ya que conceptos tales

como la fecha y los nombres del operador y del registrador, los cuales deben consignarse, no se

incluyen.

El alargamiento es el aumento en el tramo de calibración original. Tanto el porcentaje de

aumento como el tramo de calibración original se consignan. En los metales dúctiles, si la ruptura

ocurre cerca de un extremo del tramo de calibración, algunos de los efectos del alargamiento o la

estrucción se extenderán más allá del tramo de calibración. De ahí que, cuando la ruptura ocurre

fuera del tercio medio, las especificaciones frecuentemente requerirán un nuevo ensayo o

comprobación, aunque un método aproximado para obtener el alargamiento puede usarse como se

muestra en la Fig. 5.18.

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 cráter, 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 cráter 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.

La carga no axial causará 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 materia extraña,

como la escoria. Sobre la superficie

fracturada del material que haya sido

trabajado en frío o pasea 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; ésta ocasionalmente es denominada

"fractura en estrella". Una descripción de la fractura debe incluirse en cada informe de ensayo, aun

cuando su valor sea incidental para las fracturas normales.

1.5 EFECTO DE LAS VARIABLES IMPORTANTES.

Como se ha señalado repetidamente, las condiciones de ensayo y la condición del material

en el momento del ensayo tienen una influencia muy importante sobre los resultados. Los informes

de las investigaciones para determinar tales efectos comprenden una vasta literatura que cubre

muchos años. Un objeto de muchas de esas investigaciones es evaluar los efectos de las

condiciones de ensayo con la (nueva) mira de elegir un procedimiento normal que arroje resultados

que posean una variabilidad mínima con una fracturación razonable de las condiciones de ensayo;

otro objeto consiste en desarrollar una base para proyectar los resultados de los ensayos

realizados bajo condiciones dadas hacia el comportamiento probable bajo algunas otras

condiciones.

El alargamiento total de un metal dúctil en el punto de ruptura 'se debe al alargamiento

plástico, el cual está más o menos uniformemente distribuido a lo largo del tramo de calibración,

sobre el que se superpone un estiramiento de la sección restringida, lo cual ocurre justamente

antes de la ruptura.

El requerimiento de la similaridad geométrica de las piezas de ensayo para alargamientos

comparables, fue consignado por primera vez por J. Barba en 1880 y frecuentemente es

denominado ley de Barba. Si las cabeceras de una barra de ensayo están demasiado juntas, si la

pieza está ranurada o estirada transversalmente o contiene agujeros, o si los lados de la probeta

son curvos, la resistencia y la ductilidad de la pieza pueden resultar apreciablemente afectadas.

Para una serie de probetas de metal dúctil que se agrandan bruscamente en los extremos del

tramo de calibración. Para valores mayores de 2, la reducción del área es independiente pero para

valores más bajos se reduce porque los extremos agrandados proveen restricción lateral contra la

reducción de área. En el caso extremo la curva de alargamiento no continúa bruscamente hacia

arriba y a la izquierda también baja hasta cero debido a la misma restricción.