El ensayo de tracción

Tracción.

El ensayo de tracción también conocido como el ensayo de ingeniería, es sumamente importante ya que suministra las propiedades necesarias empleadas en el diseño y es el ensayo más completo en cuanto a propiedades de los materiales se refiere, también es empleado para la verificación de especificaciones y creación de nuevos tipos de materiales. Debido a la importancia del ensayo el mismo debe cumplir algunas condiciones que se detallarán más adelante, de las cuales se mencionan: aspecto de la muestra de material, velocidad del ensayo y condiciones del ambiente de trabajo.

Todo cuerpo sometido a fuerzas externas se deforma en la dirección y sentido de aplicación de la fuerza. En el caso del ensayo de tracción, una fuerza de tracción se aplica en dirección del eje de la probeta, por consiguiente, la probeta de ensayo se alargará en su longitud y se encogerá en menor proporción en el sentido transversal. Durante el ensayo se registran los valores de fuerza y alargamiento. Luego a través de teoremas y formulaciones se obtienen los datos para trazar la curva de ingeniería. A partir de la curva trazada se determina las propiedades de los materiales, importantes para el diseño.

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Objetivos.

• Determinar propiedades de los materiales: resiliencia, rigidez, ductilidad, tenacidad, esfuerzo de fluencia, resistencia máxima, esfuerzo de fractura.
• Fijar usos y aplicaciones de los materiales ensayados.
• Efectuar controles de calidad durante los procesos de fabricación.
• Estudiar nuevos tipos de materiales.
• Investigar nuevos procesos de fabricación.
• Determinar los tratamientos térmicos más apropiados.
• Establecer causas de fallas en servicio
• Determinar si algún material pueden ser reemplazado.

Máquina del Ensayo

Una máquina para realizar el ensayo tracción se ve en la figura 1. Este tipo de máquina es conocida como Máquina Universal de Ensayos, ya que en ella se pueden realizar múltiples ensayos: tracción, compresión, flexión, corte directo, otros. La probeta de prueba se instala entre las cabezales de la máquina, uno de los cabezales permanece fijo durante el ensayo y el otro cabezal se mueve para deformar la probeta. Casi todas las máquinas universales de ensayos actuales, cuentan con tarjetas de adquisición de datos (ADQ), que sirve de plataforma entre la máquina y el computador, así por medio de un software se puede controlar el ensayo, además de registrar las cargas y deformaciones se grafican la curva fuerza deformación.

                Todas las máquinas tienen el mismo principio de funcionamiento, aunque sean de distintos fabricantes. Un cabezal (superior o inferior) se queda bloqueado mientras el cabezal libre se mueve aplicando la carga sobre la probeta. Es importante cuidar el centrado de las probetas en las mordazas de la máquina. Un mal centrado provoca distorsión en los resultados. Las máquinas universales constan de las siguientes partes:

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Probeta del Ensayo

La figura 2 muestra una vista detalla de una las mordazas y cabezales de tracción soportando un probeta. Los extremos de la probeta están agrandados en el lugar donde se sujetan a las mordazas para que la falla suceda dentro del extensómetro. Si se tuviera una falla cerca de los extremos, no se registra la deformación del material. Las mordazas deben están alineadas para someter la probeta a tracción pura y generar una distribución de esfuerzos uniforme. En la figura 2, que la probeta de acero acaba de fracturase bajo la carga. El dispositivo de la izquierda que se fija a la probeta con dos brazos, es un extensómetro (o elongámetro) que mide el alargamiento durante la carga.

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Para que los resultados de las pruebas sean comparables, se deben normalizar ("estandarizar") las dimensiones de las probetas de prueba y los métodos de aplicación de las cargas. Una de las principales organizaciones normativas en Estados Unidos es la American Society for Testing and Materials (ASTM), una sociedad técnica que publica especificaciones y normas para materiales y pruebas. Otras de las organizaciones de estandarización son las American Standards Association (ASA) y el National Institute of Standards and Technology  (NIST). En otros países existen organizaciones similares. En Venezuela rigen las normas COVENIN, según esta norma, existen varios tipos y tamaños de probetas para el ensayo de tracción: tipo A, tipo B, tipo C... tipo M.

Las probetas tipo B son circulares y las tipo B-l son las de uso estándar para el ensayo de tracción. El uso de las demás probetas esta restringido a casos cuando el material a ser ensayado es de insuficiente tamaño para obtener probetas más grandes o cuando todas las partes concuerdan para su uso en un ensayo aceptable. La probetas más pequeñas requieren equipos apropiados y mayores habilidades en el maquinado de la probeta y ejecución del ensayo. La equivalente a la norma COVENIN 299-89 para las probetas tipo B-l en la ASTM es la E8-04 para esta norma la probeta de tracción estándar debe tener un diámetro de 0,505 pulgadas y una longitud calibrada de 2,0 pulgadas.

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Alargamiento (5)

Considerando una barra de sección uniforme sometida a fuerzas axiales (P) en los extremos. La figura 4 muestra la barra antes y después de aplicarles las cargas. Nótese que la longitud original de la barra (U) varía debido a las cargas, el aumento de longitud se denota con la letra griega 5 (delta).

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Donde Lf es la longitud alcanzada después de aplicar la carga.

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Esfuerzo normal (σ)

El esfuerzo se define como la intensidad de fuerza por unidad de área. En general, los esfuerzos que actúan en superficie plana pueden ser uniformes en el área o pueden variar de intensidad de un punto a otro. La figura 5 muestra el corte transversal "nn" de la barra, si la fuerza axial actúa pasando por el centroide del área (A), entonces los esfuerzos estarán distribuidos uniformemente. La siguiente ecuación es empleada para determinar la magnitud de los esfuerzos:

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Cuando la carga P no pasa por el centroide, se tiene una flexión de la barra y es necesario un análisis más complicado. Si se usa el área inicial (Ao) día probeta en la ecuación 2 para el calculo del esfuerzo, al esfuerzo se le llama esfuerzo nominal (también esfuerzo convencional, esfuerzo tecnológico o esfuerzo ingenieril). Un valor más exacto del esfuerzo axial se llama esfuerzo real o esfuerzo verdadero.

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Deformación unitaria (ε)

En general, la elongación de un segmento es igual a su longitud divida entre la longitud (L) y multiplicado por el alargamiento total δ .En consecuencia, una unidad de longitud de la barra tendrá una elongación igual a 1/L por δ. A esta cantidad se le llama deformación unitaria y se determina por la expresión:

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Si la barra está a tracción, esa deformación se llama deformación unitaria a tracción y representa un alargamiento o estiramiento del material.

Deformación unitaria verdadera (ε')

La deformación unitaria axial promedio ε en la probeta de prueba se determina dividiendo el alargamiento medio  δ entre la longitud calibrada "L" (ecuación 3). Si en el cálculo se usa la longitud calibrada inicial, se obtiene la deformación unitaria nominal. Ya que la distancia entre las marcas de calibración aumenta a medida que se aplica la carga de tracción, la deformación unitaria real o verdadera se determina usando la distancia real entre las marcas de calibración. A tracción, la deformación unitaria real siempre es menor que la nominal. Sin embargo, para la mayor parte de los fines técnicos son adecuados el esfuerzo nominal y la deformación unitaria nominal.

Esfuerzos verdaderos (σ')

El esfuerzo real o verdadero se puede calcular a partir del área real de la barra en su sección transversal donde sucede la fractura. Como el área real en una prueba a tracción siempre es menor que el área inicial (verfigura 8), el esfuerzo real es mayor que el esfuerzo nominal. Para determinar los esfuerzos verdaderos que actúan sobre una probeta en el ensayo de tracción, se puede asumir que la deformación de la barra ocurre a un volumen constante, así el área real (Ar) se calcula por la siguiente ecuación:

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De esta manera el esfuerzo real o verdadero (σ') es proporcional al esfuerzo nominal

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Diagrama esfuerzo-deformación unitaria

Comúnmente, los resultados de las pruebas dependen de las dimensiones del espécimen que se esté probando. Como no es probable que se diseñe una estructura que tenga sus partes con el mismo tamaño que las probetas de prueba, se deben expresar los resultados de las pruebas de forma que se apliquen a miembros de cualquier tamaño. Una forma sencilla de lograr este objetivo es convertir los resultados de la prueba en esfuerzos y deformaciones unitarias. El diagrama esfuerzo-deformación unitaria es una característica del material que se prueba en particular y contiene información acerca de las propiedades y comportamiento mecánico de lo materiales, es por ello que recibe el nombre de curva de ingeniería. Las curvas de ingeniería fueron inventadas por Jacob Bernoulli (1654-1705) y por J.V. Poncelet (1788-1867).

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