PRÁCTICA 2: ENSAYOS DE TRACCIÓN

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PRÁCTICAS DE LABORARATORIO DE CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES

PRÁCTICA 2: ENSAYOS DE TRACCIÓN

1.  INTRODUCCIÓN

1.  OBJETIVOS

Objetivo General

Evaluar el comportamiento mecánico de materiales de ingeniería mediante ensayos de tracción, siguiendo normas estandarizadas.

Objetivos específicos

• Elaborar curvas esfuerzo – deformación ingenieril y verdaderas, de muestras de metales y polímeros a partir de datos obtenidos mediante ensayos de tracción normalizados.
• Identificar en curvas esfuerzo-deformación la región elástica, la región plástica, el punto de fluencia, el punto de esfuerzo máximo y el punto de fractura.
• Determinar a partir de las curvas de esfuerzo-deformación, los valores promedios, con su desviación estándar, del esfuerzo de fluencia, esfuerzo máximo, esfuerzo a la fractura, la ductilidad mediante elongación y reducción de área, la resiliencia y tenacidad.

1.  MARCO TEÓRICO

Se entiende por propiedades mecánicas a las propiedades de un material que revelan su comportamiento elástico y plástico cuando se le aplica una fuerza, con lo cual se puede juzgar si es adecuado o no para aplicaciones mecánicas. Muchos materiales en condición de servicio están sujetos a fuerzas o cargas. Por tanto, es muy importante determinar sus propiedades mecánicas para comparar distintos materiales y comprobar si alguno de ellos podrá resistir a los esfuerzos a los que estará sometido cuando es utilizado en una determinada aplicación, por ejemplo, una viga, un ladrillo en una vivienda, una parte de un motor, una grúa, un automóvil etc. Estos datos son fundamentales para la selección de materiales en el proceso de diseño, para la mejora y sustitución de materiales, y particularmente para efectos de control de calidad, como garantía de cumplimiento de los requerimientos técnicos especificados por el cliente [1].  

Los ensayos de tracción uniaxial son pruebas ampliamente utilizadas para determinar las propiedades mecánicas del material, en el cual una probeta material con dimensiones normalizadas es sometida a cargas mecánicas crecientes hasta que se produce su fractura. Al ejercer esta acción, siguiendo procedimientos estandarizados según las normas establecidas, se puede determinar la respuesta del material frente a las fuerzas aplicadas, registrando constantemente la variación en el alargamiento con la fuerza aplicada. El mismo ensayo puede ser efectuado en compresión, siendo éste particularmente utilizado para ensayar materiales frágiles, los cuales no deforman plásticamente. La diferencia entre estos dos ensayos es el tipo de probeta utilizada y el sentido de la carga aplicada. En el ensayo de tracción se utilizan probetas de sección plana, o cilíndrica, mientras que en el de compresión solamente se emplean muestras cilíndricas; por su parte, en el ensayo de tensión el material se sujeta por los extremos y se estira, en el de compresión el material se aplasta o comprime [1].

• EL ENSAYO DE TRACCIÓN

El ensayo de tracción de plásticos y metales se rige bajo la norma ASTM D 638 y ASTM D E8M respectivamente, en la cual se especifican las condiciones para determinar las propiedades de tracción de los materiales y se aplica a los tipos de probetas sección circular y de sección plana (Tipos I – V). Entre estas propiedades se incluye una resistencia o esfuerzo máximo ingenieril, esfuerzo a la fluencia, rigidez, la deformación elástica y plástica antes de la rotura. Existen normas nacionales que se basan en las normas ASTM, la Norma INEN-102 corresponde al ensayo de tracción para varillas de acero (Consultar Norma INEN-102) [2].

A menudo, una curva de esfuerzo-deformación contiene una zona elástica lineal y una zona plástica no lineal. Se denomina zona elástica cuando un material recupera sus dimensiones originales una vez retirada la carga al cual fue sometido. Si el material es deformado hasta un punto que no puede recuperar completamente sus dimensiones, entonces ha experimentado una deformación plástica. Si la deformación continúa llegará a un punto en el cual se producirá su fractura [2].

Para realizar el ensayo se obtienen probetas mecanizadas cilíndricas o planas con las dimensiones dentro de los rangos especificados en las normas.  La Figura 1a muestra un conjunto de probetas de tracción para diferentes materiales metálicos y un dibujo esquemático indicando la longitud calibrada y diámetro de la probeta (Figura 1b) y la longitud y diámetro final luego de la fractura del material (Figura 1c) [2].

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Figura 1. Probetas de tracción para distintos materiales (a), dibujo esquemático de una probeta mostrando la longitud y diámetro inicial y final de la probeta (b y c, respectivamente).

Luego del ensayo se miden la longitud final con respecto a las marcas calibradas en la probeta y el diámetro final en la sección de fractura, para conocer el grado de alargamiento y reducción de área. Estos parámetros se expresan como porcentaje de alargamiento o elongación, %Δl y porcentaje de reducción de área %RA, determinadas aplicando las ecuaciones 1 y 2, respectivamente [2].  

                                          Eq. 1[pic 8]

                                                  Eq. 2 [pic 9]

Donde Ao y lo y representan el área inicial y longitud inicial, respectivamente, mientras que Af y lf indican el área final y longitud final. Estos parámetros también se pueden expresar en fracción.

Para determinar el esfuerzo ingenieril (σ), también llamado tensión o esfuerzo de tensión, la fuerza (F) se divide entre el área de la sección transversal inicial de la probeta (Ao), ecuación 3.

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