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UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
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Base Teórica del Ensayo de Tracción
El ensayo de tracción es un ensayo destructivo donde una probeta, normalizada o de
elemento estructural de dimensiones y formas comerciales, es sometida a la acción de una
carga axial y creciente, que luego de sobrepasar las cargas elástica y máxima, llega
finalmente a la ruptura.
El ensayo de tracción se realiza en una máquina de ensayos
especial, que tiene la posibilidad de aplicar la carga gradual y
controladamente, indicando su valor constantemente. Por otro
lado, también entrega simultáneamente información del
desplazamiento que experimenta el puente de carga, o el
extensómetro instalado en la probeta. Con esos antecedentes, la
máquina entrega el diagrama carga v/s desplazamiento, que es
proporcional al diagrama esfuerzo v/s deformación requerido.
La mayoría de los materiales dúctiles presentan dos zonas perfectamente definidas:
- La primera con una relación casi lineal entre la carga y la deformación, manteniendo
una pendiente aparentemente constante. En esa zona la deformación es elástica, vale
decir que si se detiene el ensayo y se retira la carga, la probeta
recupera sus formas y dimensiones originales. El
alargamiento y la reducción de área se producen en toda la
zona calibrada, pero dicho comportamiento tiene su límite,
porque se alcanza un punto, que es característico para cada
material, donde a iguales incrementos de carga comienzan a
aumentar los incrementos de deformación. Ese punto límite es
el límite elástico del material.
- En la segunda zona el material disminuye gradualmente su
rigidez (pendiente), pero es capaz de soportar incrementos de esfuerzos debido al
endurecimiento por deformación. Si se detiene el ensayo y se retira la carga, la probeta
quedará con deformación permanente. El material está en su zona de deformación
Diagrama de ejecución
de una probeta con
sección circular
Diagrama de ejecución
de una probeta plana
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plástica. La carga y el esfuerzo alcanzan un valor
máximo, con pendiente cero, es la resistencia a la
tracción. Después de sobrepasar el máximo, la carga comienza a descender y se
empieza a vislumbrar la estricción de área y alargamiento localizado en un punto de la
zona calibrada, hasta que finalmente se produce la ruptura.
- En algunos materiales como el acero de bajo porcentaje de carbono, se observa entre la
zona elástica y la plástica una zona donde, sobrepasado el límite elástico, el material se
deforma sin incrementar el esfuerzo. El material está fluyendo, está en la zona de
fluencia. Terminado este fenómeno, nuevamente el material es capaz de incrementar su
capacidad de resistir esfuerzos debido al endurecimiento por deformación.
Diagrama de Esfuerzo v/s Deformación
Del diagrama σ v/s ε se obtienen las principales propiedades mecánicas del material:
Resistencia a la tracción: es el esfuerzo máximo que es capaz de soportar un material,
antes de romperse- Corresponde a máx
Límite de Proporcionalidad: es el esfuerzo máximo hasta donde la correspondencia
entre esfuerzo y deformación es lineal. Esfuerzo hasta donde es válida la Ley de
Hooke.
Límite de fluencia: es el esfuerzo donde el material comienza a ceder, se deforma sin
variar mayormente el esfuerzo. Corresponde a fl
Ductilidad: es la capacidad que tiene el material de deformarse antes de romperse. Se
visualiza a través de tot
Rigidez: es la capacidad de oponer resistencia a la deformación. Se visualiza a través
de la pendiente E
Tenacidad: es la capacidad de absorber energía de deformación por unidad de volumen
antes de romperse. Se manifiesta por el área encerrada bajo la curva.
Resiliencia: es la capacidad de absorber energía de deformación elástica.
Fragilidad: es la incapacidad de un material de deformarse plásticamente.
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Zona elástica: es el comportamiento de un material de volver a tener sus formas y
dimensiones originales, después de retirada la carga. Esto ocurre hasta el límite de
fluencia.
Zona plástica: es la zona donde el material queda con deformación permanente.
Punto de ruptura: es aquel donde el material falla por ruptura
màx
fl
p
E
1
tot
Los materiales frágiles presentan un comportamiento diferente:
Se observa una zona elástica, donde en el caso de la fundición gris, la relación entre
el esfuerzo y la deformación no es lineal, sino que levemente parabólica. En este caso no
existe la zona de fluencia, el límite elástico debe determinarse convencionalmente, como el
esfuerzo que produce una deformación permanente de 0,2 %. La diferencia entre el límite
elástico y la resistencia a la tracción es mínima, prácticamente no existe la zona plástica,
pues el material se rompe abruptamente, casi sin experimentar deformación plástica. Por
ese mismo motivo, no se observa estricción de área, y el alargamiento es mínimo.
La fractura se presenta en forma plana en la sección transversal, falla en el plano de
tracción máxima, por lo mismo la textura es rugosa o granular, evidenciando
desgarramiento por tracción.
Diagrama de esfuerzo versus
deformación de un material común.
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σ
E
σmáx
ε
Normalización del ensayo
Para que los resultados del ensayo de tracción obtenidos en cualquier laboratorio
sean comparables es necesario que los factores que inciden en ellos se mantengan
constantes; es decir, los ensayos se ejecuten en las mismas condiciones. Por este motivo, se
ha normalizado los factores controlables que influyen en los valores que se obtienen del
ensayo de tracción: la forma (dimensiones, proporciones y acabado superficial de la
probeta), la temperatura y la velocidad de carga.
Efectos de las formas y proporciones de la probeta
Las probetas pueden ser cilíndricas o prismáticas, de sección constante dentro de
los límites en que se efectúan las mediciones. También se ensayan piezas y estructuras de
máquinas manufacturadas, por ejemplo: alambres, cables, barras de construcción, cadenas,
tubos, cáñamo, papel, telas y otros. La mayoría de los cuales están normalizados. Tiene
gran influencia en los valores de resistencia y ductilidad obtenidos la relación
largo/diámetro (l/d) de las probetas cilíndricas.
Diagrama de esfuerzo versus
deformación de un material
muy frágil.
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5
ε Z σ
% E
120 D
80 Z
A C
40 ε B
ε
0 2 4 6 8 10 l/d A: 3
B: 2
C: 1
D: <1
E: 0
Por los motivos inferidos de las tendencias anteriores la proporción entre el largo
entre marcas y la sección transversal se normaliza de tal forma que equivalga a 5 veces el
diámetro, para la probeta cilíndrica, 065,5 S para las probetas de sección rectangular.
La forma contempla una zona calibrada, donde se estudiará los efectos producidos por la
tracción; con dos cabezas de mayor sección, desde donde se tomará la probeta para
aplicarle la carga; con una reducción suave del área, desde la zona calibrada hacia las
cabezas, para evitar la concentración de esfuerzos;
Probeta de ensayo de Tracción C 10 x 50 DIN 50125
60
rmín 4
Ø10
12 18
15 10 50 10 15
120
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Probeta de ensayo de Tracción E a x b x l0 DIN 50125
l0+b
rmín 35
b 1,2b+3
a
2b+10 l0 = 065,5 A 2b+10
Velocidad
Según la velocidad con que se realice el ensayo, éste se puede clasificar en:
1. Impacto: la carga se aplica violentamente
2. Estático: la carga se aplica lentamente
3. Larga duración: generalmente con alta temperatura (creep)
4. Cíclico: fatiga por tracción
Para que el ensayo sea considerado estático, la velocidad de carga no debe exceder al
incremento del 5% del largo entre marcas por minuto, para el rango elástico (incremento
de la carga en 10 MPa/min); 40 % del largo entre marcas por minutos, para el plástico. Se
debe pasar de una zona a otra con una velocidad gradualmente progresiva, evitando los
cambios bruscos.
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Temperatura
La temperatura tiene gran influencia, especialmente sobre el límite elástico
El ensayo, según Norma se debe realizar a 293 ºK ± 2 ºK (20 ºC ± 2 ºC)
El comportamiento de un acero al carbono según la temperatura se muestra en el diagrama.
Para ensayos a otras temperaturas se debe seguir las prescripciones dadas por las Normas
ISO/R 205 e ISO/R 783
σ ε
daN/mm2
%
60
50 σmáx
40 ε 50
30 σel 40
20 30
10 20
0 T ºC
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Efectos de la temperatura de la probeta
La Falla
La falla por rotura se presenta de diferentes maneras, conforme se trate de un
material de naturaleza dúctil o frágil, produciéndose las roturas dúctiles y frágiles,
respectivamente.
Falla dúctil
El material dúctil (cobre, aluminio, acero, bronce , latón) falla por esfuerzo cortante. Esta
rotura se identifica por:
- Elevado alargamiento y estricción de área.
- Fractura en 45º respecto al plano normal a la carga
- Gran diferencia entre el límite de fluencia y la resistencia a la tracción
- Textura sedosa en el plano inclinado.
- Fase de rotura de larga duración
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Este tipo de rotura se produce por deformación plástica, con el consiguiente
deslizamiento de cristales (cortadura) según planos orientados en 45º respecto del plano
normal a la aplicación de la carga.
Falla frágil
Los materiales frágiles, como la fundición gris, fallan por esfuerzo normal de tracción,
en el plano de tracción máxima. Esta falla se identifica por:
- Poco o nulos alargamiento y estricción.
- Fractura en el plano normal a la dirección de la carga.
- Muy poca diferencia entre el límite de fluencia y la resistencia a la tracción.
- Textura de falla fibrosa o granular producida por desgarramiento.
- Fase de rotura muy breve.
Este tipo de rotura se produce por descohesión o desgarramiento de los planos de
contacto de los cristales, formándose una fisura en un plano orientado normal a la fuerza
aplicada. La fractura frágil se produce por microfisuración, crecimiento de la microfisura y
propagación rápida y espontánea de la misma
Factores que inciden en la generación de rotura dúctil o frágil:
- La temperatura.
- Velocidad de aplicación de la carga.
- Distribución interna de las tensiones.
- La estructura cristalina.
- La composición química.
La temperatura.
En los aceros al carbono y en los aceros de baja aleación, al descender la
temperatura por debajo de cero grado, aumenta el límite de elasticidad acercándose a la
resistencia a la tracción, reduciéndose la fase de deformación plástica; favoreciendo con
esto la rotura frágil.
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La distribución de las tensiones internas.
Las tensiones internas pluriaxiales, esfuerzos concentrados y localizados, favorecen
la rotura frágil.
Estructura cristalina.
Los elementos de estructura cristalina de granos gruesos están más expuestos a la
rotura frágil, por la mayor facilidad de propagación de la fisura inicial.
Composición química.
En los aceros al carbono o de baja aleación los elementos constituyentes tienen gran
incidencia en el tipo de rotura.
- Favorecen la rotura frágil: aumento del contenido de carbono, aumento del
contenido de silicio, presencia de gases disueltos en el metal (N, H, O), las
impurezas (S y P).
- Reducen la fragilidad: Mn, debido a su naturaleza y a su acción desoxidante y
desulfurante; Ni, afina el grano y tiene una acción ligante; Al, afina elgrano y tiene
una acción desoxidante.
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ANEXO: Teoría de falla para materiales dúctiles y frágiles
τ
umbral de falla en cortadura
máx máx
x y
2 1 σ
σy
umbral de falla en cortadura
planos de falla por cortadura
Falla de material dúctil Círculo de Mohr para tracción
τ
plano de falla por tracción
x y σ
2 2 1
σy
umbral de falla en tracción
Falla de material frágil Círculo de Mohr para tracción
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