Ensayo de Tracción SOLICITACIONES, SOLICIT ACIONES, TENSIONES Como es sabid sabido, o, según las cargas aplicadas aplicadas a un cuerpo, podemos hacer una clas cl asif ifca caci ción ón ge genér néric ica a de so soli lici cita taci cion ones es si simp mple les s di dist stin ingu guie iend ndo: o: tr trac acci ción ón,, compresión, corte, exión, torsión. Podemos decir que existen distin dis tintas tas or ormas mas de com combin binaci ación ón de est estas as solicitaciones que en gene nerral las solicitaciones dan origen a tensiones de dos tipos: tensiones normales (a) tensiones tangenciales !t".
Las tensiones normales son las que tienden a separar dos secciones adyacentes y tienden a alcanzar un valor crítico para el cual se produce la decohesión del material, las tangenciales tienden a generar deslizamientos entre secciones.
#el es esttud udiio de la res esiist sten enc cia de ma mate teri ria ale les s se obt btie iene nen n ó órrmu mula las s metodolog$as que permiten permiten calcular calcular en base al estado de cargas aplicado, aplicado, las tensiones correspondientes a cada punto. es decir el estado de tensiones del cuerpo. %uego para poder establecer la resistencia o no del cuerpo hacen alta &alo &a lore res s ca cara ract cter er$s $sti tico cos s de dell ma mate teri rial al pa para ra po pode derr co comp mpar arar ar la las s te tensi nsion ones es aplicadas al material con las que éste puede soportar. 'déntico ra(onamiento en orma in&ersa se aplica para dimensionar una pie(a. )l en ensa sao o de tr trac acci ción ón pe perm rmit ite e ob obte tene nerr pa para ra el ma mate teri rial al,, en entr tre e ot otra ras s caracter$sticas, la tensión normal m*xima que soporta undamentalmente la tensi te nsión ón no norm rmal al en qu que e el ma mate teri rial al de de+a +a de co comp mpor orta tars rse e el el*s *sti tica came ment nte, e, caracter$stica primordial en el c*lculo basado en la resistencia de materiales. Pero adem*s este ensao permite determinar las principales caracter$sticas de un material: resistencia, comportamiento, ductilidad ragilidad, alargamiento, estricción, etc. que se defnir*n m*s adelante. )l esuer(o de tracción es el m*s sencillo de aplicar a una probeta pues sólo se trata tra ta de apl aplica icarr una car cargaa gaaxia xiall sob sobre re la mis misma, ma, ob obteni teniénd éndose ose a ten tensió sión n correspond corr espondiente iente simpl simplemente emente como el coci cociente ente entr entre e la carg cargaapl aaplicada icada la sección: δ- P
/ediant nte e este simple método se puede caracteri(ar a un material obteni obt eniénd éndose ose ten tensio siones nes a ca carac racter ter$st $stica icas s de su com compor portam tamien iento to que son aplicables a los c*lculos correspondientes a cu alquier solicitación mas comple+a que in&olucre tensiones normales.
-CONCEPTOS: DEFORMACIONES, MECANICAS DE LOS MATERIALES
RESISTENCIA
y
PROPIEDADES
DEFORMACIONES
DEFORMACION NO PERMANENTE: #eormación que se produce en un material mientras se mantiene aplicada una carga que desaparece al cesar la aplicación de la misma, recuperando el material sus dimensiones originales.
DEFORMACION PERMANENTE retirada la carga que la produ+o. RESISTENCIA DEL MATERIAL: #eormación que queda en un material luego de
RESISTENCIA A LA ROTURA: Capacidad del material para soportar cargas externas sin llegar a la rotura.
RESISTENCIA ELÁSTICA: Capacidad del material para soportar cargas externas sin quedar con deormaciones permanentes.
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES: ELASTICIDAD: Propiedad del material de &ol&er a sus dimensiones iniciales luego de retirada la cargaactuante.
FRAGILIDAD: )s el compor0amiento que presenta un material que llega a la rotura con ausencia de deormaciones permanentes.
PLASTICIDAD: Propiedad del material de poder deormarse en orma permanente. )l comportamiento pl*stico a la tracción se llama DUCTILIDAD el comportamiento pl*stico a la compresión se llama /1%)12'%'#1#. #ebido a que en mec*nica es mas común traba+ar a la tracción se suele decir que un material es r*gil o dúctil en lugar de r*gil o pl*stico.
DUCTILIDAD: Comportamiento pl*stico a la tracción, capacidad para alargarse del material en orma de hilos.
MALEABILIDAD: Comportamiento pl*stico a la compresión, capacidad para ser extendido en orma de l*minas
TENACIDAD: Propiedad del material de soportar esuer(os sin llegar a romperse. tanto el*sticamente como pl*sticamente .
2.- CARACTERISTICAS DEL ENSA YO DE TRACCIÓN 2.1.- DIAGRAMAS DEL ENSAYO DE TRACCION 2.1.1- DIAGRAMA CARGA - ALARGAMIENTO )l diagrama que se obtiene del ensao en orma directa mediante un registrador 34 lle&a el registro de cargas en el e+e &ertical el alargamiento en el e+e hori(ontal. %a correcta programación de las escalas del registrador permite obtener gr*fcos que detallen con claridad los comportamientos que mas adelante se describen. 5e obtienen generalmente sobre papel milimetrado para acilitar las determinaciones c*lculos posteriores.
2.1.2.- DIAGRAMA CONVENCIONAL TENSION- DEFORMACION %os diagramas cargaalargamiento no son comparati&os entre si para distintos ensaos pues depender*n de la geometr$a de las probetas, el diagrama que tiene real aplicación pr*ctica es el que refere las cargas a la sección el alargamiento a la longitud total, es decir el diagrama tensióndeormación espec$fca, que resultar* independiente de la probeta utili(ada ser* una caracter$stica propia del material. %a tensión en cada punto se calcula con&encionalmente en reerencia ala sección inicial 5o de la probeta
2.2- COMPORTAMIENTO – ETAPAS DEL ENSAYO - PERIODOS
DIAGRAMA CARACTERISTICO DE ACERO DÚCTIL
)ste gr*fco que &amos a anali(ar es el diagrama caracter$stico de un acero dúctil, donde se cumplen claramente todas las etapas que &amos a describir. )n una primera etapa al ir aplicando carga se obtiene deormaciones proporcionales a la carga aplicada, describiendo el diagrama una recta perecta, el acero es el metal que cumple con esta particularidad, !le de 6oo7e", hasta llegar a una 8p, l$mite de proporcionalidad, a partir de donde no describe una recta sino que comien(a a cur&arse hasta llegar al l$mite de elasticidad 8e, hasta ese punto el material no queda con deormaciones permanentes si retiramos la carga. éste orden se cumple en casi todos los aceros excepto escasas excepciones donde el limite el*stico es inerior al de proporcionalidad, pero puede tomarse como regla casi general. 1 partir de all$ continua la cur&a hasta alcan(ar el comien(o de la uencia llamando limite superior de luencia 8. Como es mu di$cil determinar sobre el diagrama el limite de proporcionalidad el l$mite el*stico, se toma como l$mite con&encional al l$mite de uencia, que puede obser&arse *cilmente. Por lo tanto en la practica se toma 8 como l$mite el*stico, de todos modos la deormación entre el l$mite el*stico el l$mite de uencia es m$nima no es del todo permanente pues desaparece luego de un tiempo.
)l enómeno de uencia que comien(a a producirse consiste en peque9os a&ances retrocesos de la cargacon deormación permanente del material. )ste per$odo, también llamado de escarmiento es mu caracter$stico de los aceros dúctiles.
%a probeta se sigue deormando con una disminución de carga, aún no se ha establecido bien la causa pero ha un acomodamiento de los planos cristalinos que en una probeta pulida se manifesta como l$neas a ;<, llamadas l$neas de %udes o l$neas de 6artan, se producen desconexiones los *tomos extra9os no logran insertarse en el acomodamiento se producen los saltos. %as oscilaciones denotan que la uencia no se produce simult*neamente En todo el material, por lo que las cargas se incrementan en forma alternada, hasta que el escarmiento es total y llegamos al límite final o límite inferior de fluencia.
1 partir de all$ con peque9os aumentos de carga se deorma la probeta sensiblemente a lo largo de toda su longitud !alargamiento homogéneo", es el per$odo de las grandes deormaciones, hasta que se alcan(a una P/13 correspondiente a =)>. 1 partir de aqu$ la deormación se locali(a en una determinada (ona de la probeta, pro&ocando un estrechamiento de la sección !estricción" que lle&a fnalmente a la rotura, este es el periodo de estricc$ón. #urante el per$odo de estricción la carga disminue debido a que disminue la sección al ir produciéndose su estrechamiento. %a tensión en que se produce la rotura inal ! tensión de rotura, 8?" no tiene importancia a los ines pr*cticos.
PERIODO ELASTICO: )s el que &a desde el inicio de aplicación de cargas hasta el l$mite el*stico 8. PERIODO PLASTICO: )s el que &a desde el l$mite el*stico hasta la rotura del material C@AC%B5'@A)5 1 P1?>'? #)% #'1?1/1: Para un acero ensaado a la tracción obtenido su diagramapodemos sacar conclusiones respecto de sus caracter$sticas: • • • •
)s m*s el*stico cuanto maor es 8. )s m*s r*gil cuanto menor es su per$odo pl*stico )s mas dúctil cuanto maor es su estricción de rotura ϕ )n general para materiales r*giles D tiende a ser alto, no presentan luencia ni estricción el per$odo pl*stico es mu corto
2.3.- PERIODO DE PROPORCIONALIDAD -LEY DE OO!E #urante el per$odo de proporcionalidad el gr*fco presenta una recta, es en este per$odo que se cumple la llamada ley de Hooke, como puede &erse la tensión es proporcional a la deormación, por lo tanto matem*ticamente existe una constante de proporcionalidad :
8- E. ) 5iendo ) la constante de proporcionalidad. que recibe el nombre de módulo de 4oung o módulo de elasticidad longitudinal su &alor es para los aceros de alrededor de )- F,0 x 0GH IgJcmF 1l ser la deormación especiica K adimensional, ) tiene las mismas unidades que la tensión 8 )s undamental tener en cuenta que esta le se cumple es apreciable en los aceros pero no en todos los materiales pues no todos presentan per$odo de proporcionalidad en muchos metales se cumple sólo a mu ba+os &alores de carga. Por ser en los aceros el per$odo de proporcionalidad casi coincidente con el per$odo el*stico. se puede considerar que esta le caracteri(a el comportamiento el*stico de los aceros.
2.".- PARÁMETROS A OBTENER )l ensao de tracción permite obtener, como &imos, diagramas que permiten caracteri(ar integralmente al material ba+o esta solicitación in&olucrando una serie de par*metros. )ste ensao en la pr*ctica de rutina de laboratorio se utili(a para caracteri(ar al material, tratando de determinar undamentalmente:
•
δ )>
• • • • •
δM δp δ
@L est*tico a la tracción, tensión para la carga m*xima 8 de uencia 8 de proporcionalidad alargamiento de rotura estricción idea de ragilidadductilidad caracter$sticas de la ractura
%os &alores de uencia proporcionalidad a &eces son di$ciles de obser&ar por lo que se determina un &alor l$mite de elasticidad con&encional como luego se &er*.
)n cualquier catalogación de aceros se especifca a los mismos por estos par*metros que acabamos de se9alar, existiendo para cada composición de aceros una &alor nominal de cada uno de estos par*metros.
2.#.- TIPOS DE FRACTURA DE LA PROBETA
1l someter al material a un esuer(o de tracción se producen tensiones normales tangenciales que tienden a separar a desli(ar respecti&amente las part$culas del mismo. #urante el per$odo el*stico se producen tensiones normales, pasado el l$mite el*stico aparecen en los metales dúctiles tensiones tangenciales que producen desli(amientos en planos cristalogr*fcos que reducen la sección aumentan hasta producirse l a rotura.
%os materiales r*giles orecen gran resistencia al desli(amiento e&itando grandes deormaciones aún para &alores m*ximos de esuer(os tangenciales por lo que la rotura se produce por arrancamiento debido a tensiones normales. )l acero dulce !ba+o contenido de carbono" es un caso t$pico de material dúctil, que presenta ractura tipo Lcr*terL o Lcopa conoL. %a ractura se inicia como una fsura en el centro de la sección al separarse los granos que est*n en condiciones m*s desa&orables. propag*ndose r*pidamente hacia los bordes. 1ntes de alcan(ar los bordes actúan las tensiones tangenciales produciéndose la ractura fnal por desli(amiento en planos a ;<. )n cambio la undición gris se caracteri(a por su comportamiento r*gil, obteniéndose una ractura sin estricción según un plano normal al e+e de la probeta. %os aceros al C se hacen m*s r*giles cuanto maor es su contenido de carbono. %a obser&ación de la ractura de la probeta permite establecer importantes conclusiones respecto de la ductibilidad o ragilidad del material
Metodologia del Ensayo de Tracción NORMAS %as normas internacionales hacen reerencia al ensao de tracción, a tra&és de la 15>/ )5, o las #'A ;G0F; I0; I 0H. )n nuestro pa$s la norma correspondiente es la '?1/'15 B;GG0GF, que se ad+unta a la presente gu$a para completar la inormación, norma que est* basada en la correspondiente a #'A.
)l ensao, extracción conección de probetas se reali(ar* en base a la norma l?1/, as$ como las condiciones de ensao. 5e hace reerencia a algunos par*metros con la nomenclatura cl*sica que difere a la establecida en la norma !por e+emplo las tensiones ó que en la norma se llaman ?" Como puede obser&arse en las normas ad+untas, éstas establecen toda la metodolog$a del ensao, los par*metros a controlar, la orma de obtener los resultados, etc. haciendo que de esta manera los ensaos caractericen ob+eti&amente al material sean plenamente comparati&os entre si.
3.2.-GEOMETR$A DE LA PROBETA -DEFINICIONES
L%&'()*+ (/0+ I : )s la parte de la probeta de sección constante, cil$ndrica o prism*tica dentro de la cual se marca la longitud de reerencia.
L%&'()*+ + 040&(: %ongitud entre marcas de reerencia, reali(adas dentro de la longitud calibrada, respecto de la cual se determina el alargamiento de la probeta durante el en sao.
L%&'()*+ + 040&( (&(( lo" : %ongitud de reerencia pre&ia a ensaar la probeta
L%&'()*+ + 040&( 5& ! l". : longitud de reerencia luego de la rotura, medida con las partes cuidadosamente unidas alineadas.
PROBETAS PROPORCIONALES. NORMALES E INDUSTRIALES Para que los resultados otenidos de alargamiento y estricción sean comparativos entre si las normas determinan la ley de seme!anza que deen cumplir las proetas. Los alargamientos resultan comparativos si lo esproporcional al di"metro o raíz cuadrada de la sección. Las proetas que cumplen esta condición se denominan proetas proporcionales. #$%e l&'M estalecen dos tipos( Larga( lo ) *o0JF lo - 0G d o
Corta: lo -*o0JF lo - ;d o @tras normas como 15>/, 25', etc. establecen otras constantes de proporcionalidad. Por otro lado también se establecen otras caracter$sticas que deben cumplir las probetas, en general adoptando secciones circulares o rectangulares con sus extremos ensanchados para acilitar su su+eción para asegurar la rotura dentro de la longitud calibrada, &inculados mediante un radio de acuerdo determinado para e&itar la concentración de tensiones por cambio brusco de
sección. %as probetas que cumplen con la norma adoptada se denominan probetas normali(adas o normales. Cuando se quieren reali(ar ensaos directamente sobre &arillas de metal o no es posible reali(ar probetas según norma, se traba+a directamente con la barra de sección constante, permitiendo sólo reali(ar &erifcaciones de cargas tensiones l$mites. )n este caso se denominan probetas industriales.
3.".- E6TRACCIÓN DE PROBETAS #eben tomarse &arias probetas de distintos puntos de la pie(a de manera de obtener una media representati&a de las caracter$sticas de la sección total de la pie(a !generalmente del lingote o la barra". Por otro lado debe e&itarse tomar muestras del centro, pues es donde se producen maores segregaciones, lo que hace que las caracter$sticas no sean representati&as del material. >ampoco es representati&a la (ona cercana al borde. Por e+emplo, si tomamos un redondo de acero de determinado di*metro, el lugar mas adecuado para obtener probetas es la (ona ubicada a FJN del radio medidos desde el centro.
MARCADO DE LA PROBETA 5e deben marcar los extremos de la longitud de reerencia se deben reali(ar marcas de acuerdo a di&isiones iguales de la longitud de reerencia, que ser*n FG di&isiones para las probetas largas 0G di&isiones para las corias. Para determinar correctamente el alargamiento de rotura es necesario determinar con exactitud las m*ximas deormaciones que se producen en la probeta. lo cual se consigue solamente si la (ona de extricción est* lo sufcientemente ale+ada de las marcas extremas de la longitud de reerencia. por lo tanto los &alores de alargamiento se consideran &*lidos únicamente si la ractura se produce dentro del tercio medio de la longitud de reerencia. )xiste un método de corrección para el caso de que la rotura se produ(ca uera del tercio medio, como se &er* mas adelante. Para probetas industriales se marcan N o m*s longitudes de reerencia, aún dentro de la (ona que ser* su+etada por las morda(as para aumentar la probabilidad de que se cumpla en alguna longitud la condición de rotura en su tercio medio.
3.# M7TODO DE AMARRE %as probetas se su+etar*n a la m*quina de ensao de acuerdo a las caracter$sticas de ésta, por medios adecuados, tales como morda(as, cabe(ales roscados, cabe(al con apoo en resalte. etc. )n nuestro caso contamos con un par de morda(as de accionamiento hidr*ulico que permiten adem*s la alineación autom*tica de los cabe(ales. Para este caso los extremos de la probeta son simplemente cil$ndricos
3.8 ESCALAS RANGOS DE LA MÁ9UINA DE ENSAYOS %as m*quinas de ensaos poseen en general distintos rangos, en el caso de la m*quina a utili(ar tendremos rangos de carga, es decir que la misma puede operar al 0GGO hasta F;G.GGG A, o la misma se9al de control puede determinar un m*ximo de carga de 0GG.GGG ;G.GGG o F;GGG A 5egún la carga m*xima que se pre&é alcan(ar se adopta el rango que permita la me+or utili(ación del equipo obteniendo maor exactitud. 1lgo similar ocurre con el despla(amiento, que tiene un rango al 0GGO que permite una carrera m*xima de HL rangos del ;G, FG 0G O. %a combinación del rango utili(ado de carga con alguna de las ; escalas del e+e del registrador determinar* la escala de cargas del diagrama obtenido. #e la misma manera la combinación del rango de despla(amiento con alguna de las ; escalas del e+e 3 del registrador determina la escala de despla(amiento del pistón o alargamiento de la probeta.
3. VELOCIDAD DE ENSAYO %a &ariación de la tensión aplicada durante la deormación no debe ser maor de NG (N/mm2)/se. para tener una aplicación cuasiest*tica de la carga, e&itando entre otras cosas eectos de inercia que modifcan, los resultados. !'?1/'15 B;GG0GF", que en la maor$a de los equipos de ensao implica una &elocidad de alargamiento especifco de G,GGF; !/se durante la deormación pl*stica para probetas proporcionales de sección circular .
3.; MEDICION DE SECCION y LONGITUD FINALES
%a medición de la longitud fnal la sección fnal deber*n hacerse con sumo cuidado. Para la medición de longitudes deber* alinearse perectamente la probeta, cuidando que haga perecto contacto en la ractura. Para la medición de la sección fnal, en el caso de probetas cil$ndricas se tomar* el di*metro en la estricción en dos e+es perpendiculares a fnes de promediar la medición, calculando la sección como:
S< 3.1"18 = +> = +2?"
