Download - El Ensayo de Tracción
República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Defensa
Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada
Núcleo: Sucre - Extensión: Carúpano
ENSAYO DE TRACCIÓN
Profesor: Bachilleres:
Enrique Tineo Elena Marcano
Michelle Lozada
Gregor Rivas
Luís Pérez
Octubre 2015
INTRODUCCIÓN
En la mayoría de las ocasiones, los materiales metálicos se emplean con
fines estructurales. Es decir, los componentes fabricados con metales deben
responder de forma adecuada a determinadas situaciones mecánicas. La
expresión de responder de forma adecuada puede entenderse en muy diferentes
sentidos. Así, en muchos casos, significa no fallar en servicio, pero en otros como,
por ejemplo, un fusible mecánico, puede significar lo contrario.
En múltiples aplicaciones el factor que limita la vida útil de un componente
no es su fractura, si no que puede ser cierto grado de desgaste o el desarrollo de
una grieta de cierto tamaño. El abanico de posibilidades se abre aún más cuando
se considera la naturaleza de las solicitaciones mecánicas que deben de ser
soportadas. Éstas pueden ser constantes en el tiempo o variables, en este último
caso, la velocidad de variación puede ser reducida o elevada, pueden actuar de
forma localizada o distribuida en el material. Y, en este último caso, la distribución
de esfuerzos puede ser uniforme o no.
Todo lo expuesto anteriormente, hay que añadir la que surge de la
consideración de otras etapas de la vida de una pieza como, por ejemplo, su
conformación. En ciertos procesos de fabricación, se confiere su forma a los
productos metálicos por deformación plástica. Para determinar cuáles son las
condiciones óptimas de trabajo en estos casos, es necesario conocer cuál es la
relación entre los esfuerzos que se aplican y las deformaciones que se producen y
cuál es la máxima deformación que admite el material sin llegar a romper.
TRACCIÓN
Para la mecánica y la ingeniería, la tracción es el esfuerzo al que se somete
un objeto cuando hay dos fuerzas que resultan opuestas y tienden, a partir de su
aplicación, a alargarlo o estirarlo.
El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta
normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la
rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza
estática o aplicada lentamente. Es un ensayo que tiene por objetivo definir la
resistencia elástica, resistencia última y plasticidad del material cuando se le
somete a fuerzas uniaxiales. Se requiere una máquina, prensa hidráulica por lo
general, capaz de:
a) Alcanzar la fuerza suficiente para producir la fractura de la probeta.
b) Controlar la velocidad de aumento de fuerzas.
c) Registrar las fuerzas, F, que se aplican y los alargamientos, L, que se
observan en la probeta.
Este ensayo permite obtener información sobre la capacidad de un material
para soportar la acción de cargas estáticas o de cargas que varían lentamente a
temperaturas homólogas inferiores a 0,5 (parámetro adimensional que se define
como el cociente entre las temperaturas de ensayo y de fusión). Como los
componentes metálicos se proyectan en la mayoría de las ocasiones para trabajar
en estas condiciones, probablemente este es el más popular entre los ensayos
que permiten caracterizar el comportamiento mecánico de un material metálico.
El ensayo se realiza alargando una probeta de geometría normalizada, con
una longitud inicial Lo, que se ha amarrado entre las mordazas de una máquina,
según el esquema que se muestra a continuación. Una de las mordazas de la
máquina está unida al cabezal móvil y se desplaza respecto a la otra con
velocidad constante durante la realización del ensayo. Las máquinas de ensayo
disponen de sistemas de medida, células de carga y extensómetros, que permiten
registrar la fuerza aplicada y la deformación producida mientras las mordazas se
están separando.
PROCEDIMIENTO.
El ensayo de tracción se realiza mediante una máquina universal de
tracción que provoca la deformación de una probeta del material a ensayar al
aplicarle una carga progresiva en sentido axial.
La probeta se sujeta por sus extremos en la máquina por medio de
mordazas que a su vez someten la muestra a tensión progresiva. Esta carga
provoca que la probeta se vaya alargando en longitud y adelgazando en sección
(estricción) de un modo progresivo hasta alcanzar la fractura de la pieza. Es, por
tanto, un ensayo destructivo y, para que sea válido, la rotura debe producirse en
la zona central de la probeta. La máquina, simultáneamente, mide la carga
aplicada instantáneamente y la deformación resultante, y en un papel
milimetrado se relacionan los datos de la fuerza (carga) aplicada a la probeta
ensayada, y la deformación que va sufriendo.
Los datos de la fuerza aplicada se pueden convertir en tensión y así construir la
gráfica esfuerzo-deformación
Un material presenta varias zonas en cuanto a su comportamiento ante un
esfuerzo de tracción.
Zona de proporcionalidad (OA)
En la gráfica es una línea recta, es decir, el alargamiento unitario (ε) es
proporcional a la tensión ejercida (σ). En las aplicaciones industriales siempre
se trabaja en esta zona, ya que no se producen deformaciones permanentes y
además se puede aplicar la ley de Hooke.
Zona no proporcional (AB)
El material se comporta de forma elástica, pero no existe una relación
proporcional entre tensión y deformación.
En la zona plástica (BE) también se pueden distinguir dos zonas:
Zona de deformación plástica uniforme o zona de límite de rotura (CD)
Se consiguen grandes alargamientos con un pequeño incremento de la
tensión. En el punto D encontramos el límite de rotura y la tensión en ese
punto se llama tensión de rotura (σr). A partir de este punto, la probeta se
considera rota, aunque físicamente no lo esté.
Zona de rotura o zona de estricción o zona de deformación plástica
localizada (DE)
Las deformaciones son localizadas y, aunque disminuya la tensión, el material
se deforma hasta la rotura. En el punto D, la probeta se ha fracturado. La
sección de la probeta se reduce drásticamente.
Esta curva esfuerzo - deformación varía de un material a otro, e incluso otros
materiales presentan curvas distintas; es el caso del acero.
Una deformación apreciable sin que varíe la tensión aplicada.
Este fenómeno se denomina fluencia y la tensión en ese punto se denomina
tensión de fluencia.
Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de
fluencia, y desde ese momento el material comienza a adquirir una
deformación permanente. A partir de este punto, si se retira la carga, la
probeta mantendría una cierta deformación permanente, ya que habrá entrado
en la zona plástica, dejando de cumplirse la ley de Hooke. El valor límite entre
la zona elástica y la zona plástica es el punto de fluencia, punto que en
ocasiones no es sencillo de determinar. Después de la fluencia continúa una
zona inestable, que depende de cada acero, para llegar a un máximo en que
la probeta, en lugar de alargarse de forma permanente y repartida a lo largo
de toda su longitud, lo hace concentrando la deformación en una zona en la
cual se produce un estrangulamiento. A partir del máximo de la carga, se
desarrolla un cuello de estricción en el que se localizan las deformaciones de
la probeta y que hace disminuir la carga resistida. En esta parte del ensayo, el
material fuera de la zona del estrangulamiento se descarga elásticamente,
mientras que en el cuello continúa la carga plástica hasta llegar a la rotura
REQUERIMIENTOS PARA PROBETAS DE ENSAYO.
Ciertos requerimientos fundamentales pueden establecerse y ciertas formas
de probeta se acostumbran a usar para tipos particulares de ensayos. La sección
transversal de la probeta es redonda, cuadrada o rectangular. Para los metales, si
una pieza de suficiente grueso puede obtenerse de manera sencilla, se usa
habitualmente una probeta redonda; para láminas y placas se emplea una probeta
plana.
La porción central del tramo es usualmente, pero no siempre, de sección
menor que los extremos para provocar que el fallo ocurra en una sección donde
los esfuerzos no resulten afectados por los dispositivos de sujeción. Se define
como tramo de calibración aquel sobre el cual se toman las mediciones de
alargamiento o extensómetro.
La forma de los extremos debe de ser adecuada al material, y se ha de
ajustar al dispositivo de sujeción a emplear. Los extremos de las probetas
redondas pueden ser simples, cabeceados o roscados. La relación entre el
diámetro o ancho del extremo, y, el diámetro de la sección reducida ha de
valorarse en materiales quebradizos para evitar la rotura debida al esfuerzo axial y
los esfuerzos debidos a la acción de las mordazas. Una probeta debe de ser
simétrica con respecto a un eje longitudinal durante toda su longitud para evitar la
flexión durante la aplicación de carga.
PROPIEDADES MÁS IMPORTANTES QUE SE PUEDEN MEDIR EN LA CURVA
TENSIÓN DEFORMACIÓN:
Modulo elástico o módulo de Young, E: el tramo inicial de la curva, que
generalmente es recto, da información del comportamiento elástico del
material, es decir sobre la relación entre esfuerzos y deformaciones cuando
estas son recuperables. La pendiente del tramo inicial de la curva es una
medida de rigidez del material. De dos piezas con la misma geometría,
sometidas a la misma solicitación mecánica y fabricadas con diferentes
materiales que trabajen dentro del campo elástico, aquella con mayor
modulo será la que presente menores deformaciones.
El límite elástico: es la tensión mínima que hay que aplicar para que
aparezcan deformaciones permanentes en el material. Se define el límite
elástico convencional, Rp, como el esfuerzo necesario para provocar una
deformación plástica predefinida. Esta propiedad juega un papel de gran
importancia en el proyecto mecánico, porque en la gran mayoría de las
ocasiones, las piezas se calculan para que no sufran deformaciones
permanentes en servicio y, en consecuencia, se debe garantizar que las
tensiones que actúan cuando la pieza trabaja no superan el límite elástico.
La resistencia a la tracción, Rm: coincide con el valor máximo del
esfuerzo y es la tensión que hay que aplicar para que se produzca la rotura
de la probeta en las condiciones del ensayo. Mientras la tensión aplicada es
menor a RM, la deformación es uniforme, pero al alcanzar esta tensión
comienza a desarrollarse un cuello en la probeta. La reducción localizada
de sección hace que la tensión que actúa en esa sección crezca localmente
lo que provoca un nuevo aumento del alargamiento en la zona del cuello
con la consiguiente caída de la tensión nominal. Este proceso continúa
hasta que la sección no es capaz de seguir deformándose y se produce la
fractura. La carga de rotura es una propiedad que también se puede utilizar
para el cálculo de piezas que trabajan sometidas a esfuerzos aunque, en la
actualidad, se tiende a emplear preferentemente el límite elástico.
El alargamiento a la rotura, At: es la extensión que presenta la probeta
tras el fallo. Esta propiedad es una medida indirecta de la ductilidad del
material. Un alargamiento a la rotura elevado es una propiedad deseable
porque los materiales con esta propiedad admiten deformaciones plásticas
importantes, cuya observación, en muchas ocasiones, permite adoptar
medidas correctoras con anterioridad a la fractura. Además, el alargamiento
a la rotura es también un indicador de la capacidad del material para ser
conformado por deformación a la temperatura de ensayo.
La estricción, Z: Es la relación entre las áreas de las secciones rectas de
rotura e inicial. La estricción está relacionada con el alargamiento a la rotura
de modo que cuando este crece, aquella aumenta.
Coeficiente de Poisson, que cuantifica la razón entre el alargamiento
longitudinal y el acortamiento de las longitudes transversales a la dirección
de la fuerza.
Límite de proporcionalidad: valor de la tensión por debajo de la cual el
alargamiento es proporcional a la carga aplicada.
Las máquinas que se utilizan para llevar a cabo los ensayos de tracción
disponen de un conjunto muy amplio de accesorios que permiten la aplicación de
solicitaciones de diferente naturaleza y la realización de ensayos de muchos otros
tipos como, por ejemplo, compresión, flexión, plegado, cortadura, etc. Por esta
razón estos equipos se conocen con el nombre de máquinas universales de
ensayo o dinamómetros universales. Si bien estas pruebas son fundamentales en
ocasiones para seleccionar el material adecuado a cierta aplicación o como
método de control de calidad, su empleo es mucho menos frecuente que el del
ensayo de tracción.
Normalmente, el límite de proporcionalidad no suele determinarse ya que
carece de interés para los cálculos. Tampoco se calcula el Módulo de Young, ya
que éste es característico del material; así, todos los aceros tienen el mismo
módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes. Los
datos obtenidos en el ensayo deben ser suficientes para determinar esas
propiedades, y otras que se pueden determinar con base en ellas. Por ejemplo,
la ductilidad se puede obtener a partir del alargamiento y de la reducción de área.
CURVA DE TENSIÓN – DEFORMACIÓN
En el ensayo se mide la deformación (alargamiento) de la probeta entre dos
puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga aplicada, y se
representa gráficamente en función de la tensión (carga aplicada dividida por la
sección de la probeta). En general, la curva tensión – deformación así obtenida
presenta cuatro zonas diferenciadas:
1. Deformaciones elásticas: Las deformaciones se reparten a lo largo de la
probeta, son de pequeña magnitud y, si se retirara la carga aplicada, la
probeta recuperaría su forma inicial. El coeficiente de proporcionalidad
entre la tensión y la deformación se denomina módulo de elasticidad o de
Young y es característico del material. La tensión más elevada que se
alcanza en esta región se denomina límite de fluencia y es el que marca la
aparición de este fenómeno. Pueden existir dos zonas de deformación
elástica, la primera recta y la segunda curva, siendo el límite de
proporcionalidad el valor de la tensión que marca la transición entre ambas.
Generalmente, este último valor carece de interés práctico y se define
entonces un límite elástico (convencional o práctico) como aquél para el
que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.).
Se obtiene trazando una recta paralela al tramo proporcional (recto) con
una deformación inicial igual a la convencional.
2. Fluencia o cedencia. Es la deformación brusca de la probeta sin
incremento de la carga aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las
impurezas o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones de la
red cristalina impidiendo su deslizamiento, mecanismo mediante el cual el
material se deforma plásticamente. Alcanzado el límite de fluencia se logra
liberar las dislocaciones produciéndose la deformación bruscamente. La
deformación en este caso también se distribuye uniformemente a lo largo
de la probeta pero concentrándose en las zonas en las que se ha logrado
liberar las dislocaciones (bandas de Lüders). No todos los materiales
presentan este fenómeno, en cuyo caso la transición entre la deformación
elástica y plástica del material no se aprecia de forma clara.
3. Deformaciones plásticas: si se retira la carga aplicada en dicha zona, la
probeta recupera sólo parcialmente su forma quedando deformada
permanentemente. Las deformaciones en esta región son más acusadas
que en la zona elástica.
4. Estricción. La estricción es la responsable del descenso de la curva
tensión-deformación; realmente las tensiones no disminuyen hasta la
rotura, sucede que lo que se representa es el cociente de la fuerza
aplicada (creciente hasta el comienzo de la estricción) entre la sección
inicial: cuando se produce la estricción la sección disminuye (y por tanto
también la fuerza necesaria), disminución de sección que no se tiene en
cuenta en la representación gráfica. Los materiales frágiles no sufren
estricción ni deformaciones plásticas significativas, rompiéndose la probeta
de forma brusca. Terminado el ensayo se determina la carga de rotura,
carga última o resistencia a la tracción: la máxima resistida por la probeta
dividida por su sección inicial, el alargamiento en (%) y la estricción en la
zona de la rotura.
Otras características que pueden caracterizarse mediante el ensayo de
tracción son la resiliencia y la tenacidad, que son, respectivamente, las energías
elásticas y totales absorbidas y que vienen representadas por el área comprendida
bajo la curva tensión – deformación hasta el límite elástico en el primer caso y
hasta llegar a rotura en el segundo.
- RESILIENCIA Medida de la capacidad de un material de absorber energía
elástica antes de la deformación plástica.
- TENACIDAD La tenacidad de un material es un término mecánico que se utiliza
en varios contextos; en sentido amplio, es una medida de la capacidad de un
material de absorber energía antes de la fractura. La geometría de la probeta así
como la manera con que se aplica la carga son importantes en la determinación
de la tenacidad.
RESISTENCIA DEL MATERIAL RESPECTO AL ENSAYO
Se conoce como ductilidad a la propiedad de aquellos materiales que, bajo
la acción de una fuerza, pueden deformarse sin llegar a romperse. Estos
materiales, como ciertos metales o asfaltos, se conocen como dúctiles. En cambio,
los materiales que no poseen esta propiedad se califican como frágiles. Esto
quiere decir que los materiales dúctiles pueden experimentar importantes
deformaciones antes de romperse, mientras que los frágiles se rompen casi sin
deformación.
Los materiales dúctiles toleran métodos de fabricación por deformación
plástica y soportan una mayor cantidad de uso, ya que se deforman antes de
romperse. Es necesario aplicar una gran fuerza para romper un material
dúctil: sus átomos pueden deslizarse unos sobre otros, estirando el material sin
romperse. Es importante saber distinguir entre los términos dúctil y blando. En
primer lugar, la ductilidad sólo aparece cuando un material en particular es
sometido a una fuerza de gran magnitud; por ejemplo, si se aplica una carga
pequeña, entonces el material se deformará discretamente, y recién cederá y se
deformará en un grado mucho mayor cuando se lo lleve al límite. Lo más curioso y
digno de ser destacado es que cuando este tipo de material atraviesa esa barrera,
en la cual la fuerza ejercida sobre él es considerable, conserva su integridad y
simplemente cambia de forma.
Durante un ensayo de tracción, un experimento que consiste en evaluar
las propiedades relacionadas con la resistencia de un material buscando el punto
en el cual se rompen, los dúctiles atraviesan una etapa de deformación irreversible
muy considerable que se caracteriza por un mínimo aumento de la carga a la cual
se somete.
En ingeniería el límite elástico es la tensión que mantiene la deformación
plástica. El comportamiento plástico de un material, de da cuando este es
sometido a tensiones superiores a las que puede soportar. Si las tensiones
aumentan pueden provocar el punto de fractura. Esto demuestra que el límite
elástico es un marcador del paso a la zona de fluencia. Cuando la tensión es
uniaxial, el límite elástico es admisible cuando entra en la superficie de fluencia del
que posee la materia
Los materiales sometidos a tensiones superiores a su límite de elasticidad
tienen un comportamiento plástico. Si las tensiones ejercidas continúan
aumentando el material alcanza su punto de fractura. El límite elástico marca, por
tanto, el paso del campo elástico a la zona de fluencia. Más formalmente, esto
comporta que en una situación de tensión uniaxial, el límite elástico es la tensión
admisible a partir de la cual se entra en la superficie de fluencia del material
CONCLUSIONES
El ensayo a tracción es la forma básica de obtener información sobre el
comportamiento mecánico de los materiales. Mediante una máquina de ensayos
se deforma una muestra o probeta del material a estudiar, aplicando la fuerza
uniaxialmente en el sentido del eje de la muestra. A medida que se va deformando
la muestra, se va registrando la fuerza (carga), llegando generalmente hasta la
fractura de la pieza. Así pues, el resultado inmediato es una curva de carga frente
a alargamiento, que transformados en tensión y deformación, en función de la
geometría de la probeta ensayada, aportan una información más general.
El ensayo de tracción de un material consiste elementalmente en someter a
una probeta, a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la
rotura de la probeta. Esto requiere la utilización de una máquina de ensayos, la
cual mide la tensión aplicada a la probeta y la elongación de ésta. De este ensayo
se obtiene la curva de tensión-deformación que complementada por la medición
directa de la sección de la probeta permiten determinar las características
mecánicas mencionadas anteriormente. La curva tensión-deformación presenta
distintas zonas asociados a diferentes estados de la probeta.
Dentro de la ingeniería en ensayo de tracción es de suma importancia ya
que lo podemos tomar en cuenta para el diseño de estructuras, saber cuándo un
elemento está siendo sometido a tensión. Se puede conocer cómo aplicar las
cargas a través de las mordazas al mismo tiempo que ocurre un deslizamiento de
la probeta dentro de la máquina, la cual se estira hasta sufrir fractura.