Curva esfuerzo deformacion

Resumen – En esta investigación se presenta el método que cubre la prueba de tensión de materiales metálicos, plásticos y compuestos a temperatura ambiente. Este método se utiliza para determinar algunos parámetros de los materiales a analizar, como la elasticidad, límite de elasticidad, resistencia a la tracción, elongación y la reducción de área del material. Finalmente se presentan las curvas de esfuerzo-deformación obtenidas experimentalmente para dos materiales: acero y un compuesto de fibra de carbono y aramida. Además, se reportan los parámetros obtenidos para estos dos materiales.

Índice de términos – Curva esfuerzo-deformación, elasticidad, elongación, Método prueba tensión, tracción.

NOMENCLATURA

Parámetro Símbolo

Longitud inicial l_0

Longitud adquirida l

Área transversal A_t

Tensión de tracción σ

Límite de elasticidad σ_y

Resistencia a la tracción σ_max

Tensión a fractura σ_R

Módulo de elasticidad E

Alargamiento ∆l

Deformación ε

Reducción de área A_red

INTRODUCCIÓN

La ingeniería abarca múltiples áreas del conocimiento, es por esto que, en el proceso de formación de un Ingeniero Eléctrico, es muy importante el conocimiento de la Ciencia de los Materiales, ya que esta proporciona las herramientas necesarias para comprender el comportamiento general de cualquier material, lo cual es necesario a la hora de desarrollar adecuadamente diseños de componentes, sistemas y procesos que sean confiables y económicos.

Esta investigación se desarrolla con el fin de conocer ciertas propiedades mecánicas de los materiales, como la elasticidad, elongación y resistencia, al ser sometidos a una fuerza de tensión ejercida gradualmente por una prensa.

Uno de los ensayos mecánicos tensión-deformación más común es el realizado a tracción. La prueba de tensión o tracción puede ser utilizada para determinar varias propiedades de los materiales. Normalmente se deforma una probeta hasta rotura, con una fuerza uniaxial que aumenta gradualmente y que es aplicada a lo largo del eje de la probeta.

Para obtener las curvas de esfuerzo-deformación experimentales se utilizaron las correspondientes normas que han sido desarrollada por la American Society of Testing Materials (ASTM) como estándares para la realización de ensayos de materiales estableciendo las condiciones y procedimientos más adecuados para la obtención de buenos resultados [1], [2], [3].

PRUEBA DE TENSIÓN

Esta prueba es utilizada para medir la resistencia de un material frente a una fuerza estática o aplicada lentamente. Esta prueba consiste en alargar una probeta de ensayo por fuerza de tensión, ejercida gradualmente, con el fin de conocer ciertas propiedades mecánicas de materiales en general: su resistencia, rigidez y ductilidad. La prueba dura varios minutos y es destructivo, o sea, la probeta del ensayo es deformada permanentemente y a menudo rota. Este ensayo se lleva a cabo a temperatura ambiente entre 10ºC y 35ºC [1]. A continuación, se presenta un dispositivo utilizado para realizar este tipo de pruebas.

Fig. 1. Máquina donde se lleva a cabo la prueba de tensión.

Al iniciarse el ensayo, el material se deforma elásticamente; esto significa que, si la carga se elimina, la muestra recupera su longitud inicial. Se dice que el material sobrepasó su límite elástico cuando la carga es de magnitud suficiente para iniciar una deformación plástica, esto es, no recuperable. En otras palabras, el material no recupera su longitud inicial si se elimina la carga aplicada. El esfuerzo alcanza su máximo en el valor de resistencia máxima a la tensión. En este valor de esfuerzo, se forma en la probeta una estricción o cuello, la cual es una reducción localizada en el área de la sección transversal, en la que se concentra todo el alargamiento posterior. Una vez formado este cuello, el esfuerzo disminuye al aumentar la deformación y continúa disminuyendo hasta que la probeta se rompe. Estas condiciones se observan en la Fig. 2.

Fig. 2. Curva esfuerzo-deformación.

Los parámetros más importantes son tensiones (en N/〖mm〗^2 o en MPa). Los parámetros que podemos determinar a través de esta prueba son:

a) Tensión de tracción (σ): Se calcula a partir de la fuerza de tracción soportada por la probeta dividida por su sección transversal.

b) Límite de elasticidad (σ_y): Es aquel esfuerzo al cual se considera que empieza la deformación plástica.

c) Resistencia a la tracción (σ_max): Tensión máxima de tracción que ha soportado la probeta durante la prueba.

d) Tensión de fractura (σ_R): Tensión de tracción soportada por la probeta en el momento de su fractura.

e) Modulo de elasticidad o Módulo de Young (E): Es la relación entre la tensión realizada y la deformación adquirida en el tramo lineal de la curva esfuerzo-deformación (región elástica). Sus unidades son N/〖mm〗^2 o MPa .

f) Alargamiento (∆l): Es el incremento en longitud producido por la tensión de tracción y se expresa en unidades de longitud, usualmente milímetros.

g) Deformación (ε): La deformación se define como ∆l/l_0, en donde l_0 es la longitud original antes de aplicar la carga. A veces, la deformación se expresa como porcentaje.

h) Reducción de área (A_red): Corresponde al área de la sección transversal de la probeta en el punto de fractura después de efectuada la prueba.

PREPARACIÓN DE LA PROBETA

Antes de comenzar el ensayo se procede a tomar una serie de medidas de la probeta a fin de garantizar la validez de ésta como objeto de ensayo.

Las probetas de ensayo para materiales metálicos se obtienen, generalmente por mecanizado de una muestra del producto objeto de ensayo, o de una muestra moldeada. En el caso de tratarse de productos que tengan una sección constante (perfiles, barras, etc.) o de barras obtenidas por moldeo, se pueden utilizar como probetas las muestras sin mecanizar o no maquinadas. La sección de la probeta puede ser circular, cuadrada o rectangular.

1) Probetas maquinadas: Las probetas de ensayo maquinadas deben tener una curva de transición entre los agarres de las mordazas y la longitud paralela si estas son de diferentes dimensiones. Los extremos de agarre pueden ser de cualquier forma siempre y cuando se adapten a las mordazas de la máquina. La longitud libre de las mordazas siempre debe ser mayor que la longitud inicial calibrada. Las especificaciones para este tipo de probetas se presentan en la Fig. 3.

Fig. 3. Especificaciones para probetas maquinadas.

Las medidas estándar para

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