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traccion 3
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1 OBJETIVS
1.1 GENERALES: El objetivo principal de ersta práctica
es la realización de una gráfica tensión deformación del material en particular (probeta).
del diagrama fuerza versus deformación.
El objetivo del ensayo de tracción es determinar aspectos importantes de la resistencia y alargamiento de materiales, que pueden servir para el control de calidad. Las especificaciones de los matreriales y el cálculo de piezas sometidas a esfuerzos.
Obtener la curva Carga-Deformación y las curvas de esfuerzo-deformación unitarios de ingeniería y real para
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distintos materiales metálicos. redundancia
Determinar la resistencia mecánica de los materiales a partir del ensayo de tracción.(generales)
Hacer análisis comparativo de las características de los materiales con los cuales se trabajó en el ensayo.
Conocer cómo se fijan las condiciones de ensayo, como se realiza el ensayo y que informaciórn se puede exrtraer a partir de los datos registrados.
Utilizar una Maquina de Ensayos Mecánicos y tener una visión de su potencial, versatilidad y posibilidades para caracterizar mecánicamente los materiales.
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El ensayo de tracción tiene por objetivo definir la resistencia elástica, resistencia última y plasticidad del DEFORMACIÓN PLÁSTICA
Figura 2.6: Curva de tracción típica de un metal que muestra las deformaciones elástica y plástica, el limite proporcional P y el limite elástico σy, determinado
como la tensión para una deformación plástica del 0.002.
1.2 CALCULO DEL LÍMITE ELÁSTICOPara conocer el nivel de tensiones para el cual empieza la deformación elástica, o sea, cuando ocurre el fenómeno de fluencia, tenemos que tener en cuenta dos tipos de transición elastoplástica:
1. límite elástico, σy.2. Para aquellos materiales que tienen una región elástica no lineal, la utilización del método
anterior no es posible, y la práctica usual es definir el límite elástico como la tensión necesaria para producir una determinada deformación plástica.
La transición elastoplástica está muy bien definida y ocurre de forma abrupta y se denomina fenómeno de discontinuidad del punto de fluencia. En el límite de fluencia superior, la deformación plástica se inicia con una disminución de la tensión. La deformación prosigue bajo una tensión que fluctúa ligeramente alrededor de un valor constante, denominado punto de fluencia inferior. En los metales en que ocurre este fenómeno, el límite elástico se toma como el promedio de la tensión asociada con el límite de fluencia inferior, ya que está bien definido y es poco sensible al procedimiento seguido en el ensayo.
La ductilidad puede expresarse cuantitativamente como alargamiento relativo porcentual, o bien mediante el porcentaje de reducción de área. El alargamiento relativo porcentual a rotura, %EL, es el porcentaje de deformación plástica a rotura, o bien:
%EL=( IF−IOIO )Donde IFes la longitud en el momento de la fractura y l0 es la longitud de prueba original.
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Figura 2.6: Representación esquemática de los diagramas de tracción de materiales frágiles, y dúctiles ensayados hasta la fractura.
1.3 TENACIDADLa tenacidad de un material es un término mecánico que se utiliza en varios contextos; en sentido amplio, es una medida de la capacidad de un material de absorber energía antes de la fractura. La geometría de la probeta así como la manera con que se aplica la carga son importantes en la determinación de la tenacidad.
1.4 RESILIENCIAMedida de la capacidad de un material de absorber energía elástica antes de la deformación plástica. Se calcula mediante el área debajo de la curva de la zona elástica.
Figura 2.7:Representación esquemática de los diagramas de tracción de materiales.
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2 REPRESENTACIÓN DEL ENSAYO
2.1 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPONombre de la Máquina: Maquina Universal Amsler
Fabricado por: Alfred J, Amsler y Cia; Shaffhausen/Suiza
Tipo de Máquina: Máquina de Ensayo de Tracción de funcionamiento Hidráulico–Mecánico calibrado de 5 Toneladas.
Rango de Medición: Escala de carga aplicada a de 0Kg hasta 5000Kg, entre cadaintervalo de 100 kilogramos hay 10 subdivisiones más para que la precisión sea mayor.
Figura 4.1: Parte de la máquina Amsler
2.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE ENSAYOAl conectar el enchufe al toma corrientes se activa el motor eléctrico que se sitúa en la parte inferior de la máquina, luego esa energía mecánica generada se le entrega al cilindro inferior, que situado junto al motor va transformando la energía mecánica en hidráulica, pues usa al fluido como combustible, haciendo que este ascienda hacia el cilindro superior .
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Figura 4.2: Motor de la máquina
Se coloca con sumo cuidado, la probeta de ensayo y sosteniéndoles con unos soportes llamadas quijada inferior.
Figura 4.3: Quijadas o mordazas fijas
En el proceso de ascenso del fluido se ve una resistencia que ofrecen los canales en donde se transporta, esto genera un incremento en la presión, por lo que se encuentran unas válvulas de regulación para que al ejercer una contrapresión pueda equilibrarse mientras se realiza el aumento de carga en el transcurso del ensayo, también la máquina se tiene cimentada al piso para contrarrestar los mismos efectos.
Al llegar al cilindro superior, se produce un aumento de presión, lo que hace desplazar al embolo interno y le comunica una energía a un resorte que mueve el sistema que involucra a la probeta sufrir una elongación, después se le comunica a un pequeño mini sistema conformado por un tambor que actúa como un graficador de la curvas de carga –deformación del material de la probeta a ensayar; también comunica a un indicador que tiene un rango definido , tiene una especie de flechas :una negra y otra roja .
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Figura 4.4: Sistema de resortes asociados a la presión de un fluido
Al aplicarse la carga las dos flechas avanzan simultáneamente hasta llegar a la carga máxima, es ahí donde la flecha negra se queda ahí mientras la roja desciende.
Figura 4.5: Sistema para obtener la curva
Después de la rotura de la probeta, se procede a apagar la máquina.
Figura 4.6: Controlador de la carga
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3 CÁLCULOS Y RESULTADOS
3.1 DATOS OBTENIDOS DEL LABORATORIO
Figura 5.1: Probetas usadas en laboratorio
1) Aluminio:Diámetro inicial: 6.5 mmLongitud inicial: 25.4 mmDiámetro final: 3.01 mmLongitud final: 31.52 mmEsfuerzo de elasticidad: 460 kgfEsfuerzo máximo: 562kgfEsfuerzo de ruptura: 350 kgf
2) Cobre:Diámetro inicial: 6.38 mmLongitud inicial: 25.4 mmDiámetro final: 3.43 mmLongitud final: 29.92 mmEsfuerzo de elasticidad: 670 kgfEsfuerzo máximo: 1250kgfEsfuerzo de ruptura: 880 kgf
3) Bronce:Diámetro inicial: 6.25mmLongitud inicial: 25.4mmDiámetro final: 5.2mmLongitud final: 33.19mmEsfuerzo de elasticidad: 830 kgfEsfuerzo máximo: 1410 kgfEsfuerzo de ruptura: 1400 kgf
4) SAE 1010 (acero liso): 7 mm Longitud inicial: 25.4 mmDiámetro final: 3.35 mmLongitud final: 36.0 mmEsfuerzo de elasticidad: 930 kgfEsfuerzo máximo: 1410kgfEsfuerzo de ruptura: 1120 kgf
5) SAE 1045 (acero corrugado):Diámetro inicial: 5.75 mmLongitud inicial: 25.4 mmDiámetro final: 3.9 mmLongitud final: 32.07 mmEsfuerzo de elasticidad: 1240 kgfEsfuerzo máximo: 1920 kgfEsfuerzo de ruptura: 1600 kgf
Se utilizó el resorte de 3000 Kg. Durante todo el ensayo de las cinco probetas.
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3.2 CÁLCULOS Y RESULTADOS
3.2.1 Aluminio
Carga Aplicada 3000kg
Resistencia MecánicaESFUERZO DE FLUENCIA 13.86kgf/mm2
ESFUERZO MÁXIMO 16.94 kgf/mm2
ESFUERZO DE RUPTURA 10.55 kgf/mm2DEFORMACIONES (mm)
Diámetro inicial 6.5 mmDiámetro final 3.01 mmLongitud inicial 25.4 mmLongitud final 31.52 mm
MÓDULO DE YOUNGPorcentaje de elongación (%) %
ESTRICCIÓN %GRÁFICA
ZONA ELÁSTICA
ZONA DE FLUENCIA
ZONA PLÁSTICA
CURVA DEL ALUMINIO
3
COBRE
3
Carga Aplicada 3000kg
Resistencia MecánicaESFUERZO DE FLUENCIA kgf/mm2
ESFUERZO MÁXIMO kgf/mm2
DEFORMACIONES (mm)
Diámetro inicial Mm
Diámetro final Mm
Longitud inicial Mm
Longitud final Mm
MÓDULO DE YOUNG
Porcentaje de elongación (%)
ESTRICCIÓN
GRÁFICA
ZONA ELÁSTICA
ZONA DE FLUENCIA
ZONA PLÁSTICA
CURVA DEL COBRE
3
BRONCE
3
Carga Aplicada 3000kg
Resistencia MecánicaESFUERZO DE FLUENCIA kgf/mm2
ESFUERZO MÁXIMO kgf/mm2
DEFORMACIONES (mm)
Diámetro inicial mm
Diámetro final Mm
Longitud inicial Mm
Longitud final Mm
TENACIDAD (CURVA REAL): kgf/mm2
MÓDULO DE YOUNG
Porcentaje de elongación (%)
%
ESTRICCIÓN %
GRÁFICA
ZONA ELÁSTICA
ZONA DE FLUENCIA
ZONA PLÁSTICA
CURVA PARA EL BRONCE ING
3
CURVA DEL BRONCE REAL
3
ACERO DE BAJO CARBONO
3
Carga Aplicada 3000kg
Resistencia MecánicaESFUERZO DE FLUENCIA kgf/mm2
ESFUERZO MÁXIMO kgf/mm2
DEFORMACIONES (mm)
Diámetro inicial Mm
Diámetro final Mm
Longitud inicial Mm
Longitud final Mm
MÓDULO DE YOUNG
Porcentaje de elongación (%)
%
ESTRICCIÓN %
GRÁFICA
ZONA ELÁSTICA
ZONA DE FLUENCIA
ZONA PLÁSTICA
CURVA DEL ACERO DE BAJO CARBONO
3
ACERO DE MEDIO CARBONO
3
Carga Aplicada 3000kg
Resistencia MecánicaESFUERZO DE FLUENCIA kgf/mm2
ESFUERZO MÁXIMO kgf/mm2
DEFORMACIONES (mm)
Diámetro inicial Mm
Diámetro final Mm
Longitud inicial Mm
Longitud final Mm
MÓDULO DE YOUNG
Porcentaje de elongación (%)
%
ESTRICCIÓN %
GRÁFICA
ZONA ELÁSTICA
ZONA DE FLUENCIA
ZONA PLÁSTICA
3
CURVA DEL ACERO DE MEDIO CARBONO
3
a) GRAFICOS
Aluminio Bronce Acero MC Acero BC Cobre
0
49.46% 49.46%
68.06%72.52% 73.51%
ESTRICCIÓN
ESTRICCIÓN
ALUMINIO COBRE ACERO DE BAJO CAR-
BONO
BRONCE ACERO DE MEDIO CAR-
BONO
ESFUERZO MÁ-XIMO
17.7183999999999
37.7236 44.0533 49.4244 102.9492
10
30
50
70
90
110
ESFUERZO MÁXIMO (kgf/mm2)E
SFU
ER
ZO
DE
IN
GE
NIE
RIA
3
Cobre
Aluminio
Bronce
Acero de bajo carbono
Acero de medio carbono
100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700Cobre Aluminio Bronce Acero de bajo
carbonoAcero de me-dio carbono
MÓDULO DE YOUNG
451.18 515.8766 829.4446 894.6113 1613.623
MÓDULO DE YOUNG
ALUMINIO COBRE ACERO DE BAJO
CARBONO
BRONCE ACERO DE MEDIO
CARBONO
0
10
20
30
40
50
60
70
13.7396
28.9536999999999 31.326933.1099
65.8855
ESFUERZO DE FLUENCIA (kgf/mm2)
ESFUERZO DE FLUENCIA
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4 OBSERVACIONES
El tipo de muestra y el equipo son los mismos que los utilizados para otro tipo de ensayos. La rotura no se ve afectada por las condiciones de la superficie de la probeta. La rotura se inicia en una región relativamente uniforme de tensiones de tracción. Observamos que el material que soporto más carga es el acero de bajo carbono. Se obtuvo un panorama general del mecanizado de la probeta y un ensayo de tracción. Cabe destacar que la tensión de fluencia hallada por este método no es representativa del
acero y se debe a que las velocidades de deformación eran reguladas por la experiencia debido a que la maquina no tenía un sistema apto para ello.
Observamos que el acero de bajo carbono con el que se trabajó en el laboratorio tiene un punto de fluencia que los demás no tienen, y es significativamente superior.
Para los ensayos del cobre y el acero (SAE1045) que la carga que se le aplicaba hizo romper ambas probetas muy rápido, ya que se pudo ver que luego de la ruptura la carga cae de golpe, cosa que no ocurrió con los demás.
Observamos los materiales con los que se trabajó presenta estricción, debido a la diferencia de área antes y después de la ruptura.
Una gran ventaja que se puede hablar en este ensayo, es la variedad y facilidad para fabricar las probetas.
La única observación negativa a realizar es que la probeta no se encuentra sometida a un ensayo de tracción simple puro, es decir, al ensayar la probeta esta no se encuentra con un ensayo de tracción deseado.
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5 CONCLUSIONES
Se realizó un ensayo de tracción sobre una probeta de distintos materiales para dicho fin, de acuerdo a las normas ASTM, el cual permitió obtener las características mecánicas principales de dicho material a partir del análisis de la curva de tensión deformación y verificar de este modo las propiedades de estos aceros.
Se concluye que de los materiales ensayados, el aluminio resulto ser el más dúctil ya que su esfuerzo máximo solo fue de 590kgf.
Se concluye que el material más frágil resulto ser el acero de medio carbono, conocido como el SAE 1045.
En el bronce no se formó el cuello, debido que después de sufrir el esfuerzo máximo, este material quebró sin sufrir una deformación apreciable.
Se determinó que el acero de medio carbono tiene el mayor índice de proporcionalidad, ya que su límite elástico fue el más elevado.
El acero de bajo carbono fue la probeta con mayor índice de plasticidad, debido a que su zona plástica en la gráfica fue la de mayor proporción.
Se concluye que el punto de rotura de todos los materiales ensayados se dio después de darse el esfuerzo máximo y con un esfuerzo menor a este.
Se concluye que cuando los materiales llegan a su punto de fluencia, es ahí donde ellos logran deformarse rápidamente sin necesidad de aumentarle la carga.
Se concluye que los materiales ensayados cumplen con la Ley de Hooke hasta un cierto punto el cual denominaremos limite elástico.
Se concluye que los materiales en los que se ensayaron llegan a tener una recuperación elástica luego de la rotura, ya que se nota una gran irregularidad al querer unir las partes de la probeta por la zona de la rotura.
Se determinó que el material con mayor esfuerzo de fluencia fue el acero de medio carbono, y la de menor fue el aluminio.
Se concluye que la relación que existen entre los materiales ensayados con respecto al módulo de Young de los materiales ensayados son: Cobre < Aluminio < Bronce < Acero de bajo carbono < Acero de medio carbono.
Se concluye que la relación existente con respecto a la estricción de las probetas fueron: Aluminio < Bronce < Acero de medio carbono < Acero de bajo carbono < Cobre.
Así también como la gran utilidad de estos para darnos cuentas de las diferentes propiedades de los materiales, por ultimo he de añadir que gracias a esta práctica tengo un mejor entendimiento de la curvas tensión−deformación.
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6 RECOMENDACIONES
Se recomienda tomar precauciones durante la realización del ensayo (trabajar con el equipo de seguridad necesario), ya que las cargas utilizadas son relativamente altas con respecto a los materiales de ensayo.
Además, al realizar el ensayo sin cuidado podríamos tomar valores erróneos aumentando el porcentaje de error.
También se debe tener el debido comportamiento en el laboratorio, ya que los instrumentos y aparatos de medición son muy frágiles, y se podrían dañar fácilmente en un pequeño accidente.
Debemos, además, asegurarnos de que la probeta esté en debidas condiciones (bien pulida, limpia, sin óxidos) y de que no haya sufrido muchos ensayos.
Es recomendable también, tener una base teórica antes de realizar el ensayo para tener en cuenta los detalles que debemos observar y los datos que debemos apuntar.
Es recomendable tomar una misma longitud inicial para las distintas probetas para así facilitar el análisis comparativo de los distintos materiales.
7 BIBLIOGRAFÍA
FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES. William F. Smith;2º Edición. 1996
CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES.Donald R. Askeland; Publicación México: International Thompson Editores. 1998.
TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES INDUSTRIALESLasheras; Pág. 207-217
INTRODUCCION A LA INGENIERIA DE LOS MATERIALES.William D. Callister; Publicación Barcelona: Reverté , 2007
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8 ANEXO
8.1 EFECTO DE LA TEMPERATURASe estudia el comportamiento a fractura y a tracción de dos materiales compuestos, fabricados a partir de una misma matriz termoplástica reforzada con tejido de fibra de vidrio y de carbono, cuando se someten a una temperatura de70ºC y a una humedad relativa del 95%, con períodos de exposición máximos de 200 días. El comportamiento a fractura se analizó en régimen dinámico a partir de los datos obtenidos de ensayos de impacto. El fin de este estudio es conocer el comportamiento de este material en períodos cortos de exposición e identificar los mecanismos de fallo que induce este fenómeno en el material. Las principales conclusiones del estudio son: el tipo de refuerzo condiciona el comportamiento del material frente a cargas de impacto; la resistencia a tracción y la tenacidad a fractura dinámica de los compuestos estudiados no se ven sustancialmente modificadas por el efecto de condiciones ambientales de elevada humedad y temperatura en períodos cortos de exposición, apreciándose incluso una mejora en la tenacidad en los primeros días.
La aplicación cada vez más generalizada de materiales compuestos que en ocasiones pueden llegar a sustituir a los materiales metálicos en muchas aplicaciones industriales, hace necesaria una exigente caracterización mecánica. Por otra parte, las condiciones medioambientales a las que se ven sometidos son cada vez más severas. Todo ello hace necesario un conocimiento más amplio de su comportamiento frente a diferentes tipos de solicitaciones tanto estáticas como dinámicas.
El proceso de fractura que se genera en un material compuesto cuando se somete a cargas de impacto está condicionado por la propia fractura de las fibras que lo componen así como de los procesos de des laminación asociados a este tipo de materiales (Abusafieh A. 1998) (Kalarda V. V. 1993). Hasta el momento no está claro cuál de los dos procesos es el determinante, ni por 34 supuestos la aportación de cada uno de ellos a la energía total absorbida durante el proceso. Por otra parte, cuando un material de este tipo se somete, durante períodos más o menos prolongados, a ambientes con altas concentraciones de humedad, se produce en él una progresiva absorción de agua que depende de muchas variables, como son: el tipo de fibra, el tipo de matriz, la temperatura, etc. En la práctica, la presencia de una alta concentración de humedad viene acompañada de temperaturas relativamente elevadas lo que hace que el estudio conjunto de los dos parámetros, temperatura y humedad, sea prácticamente obligatorio (Fernández Canteli A. 2002). En este momento parece demostrado que la humedad absorbida por el material compuesto depende de la estructura química de la matriz, de la temperatura y de la humedad relativa, lo cual produce una plastificación tanto en la matriz como en el refuerzo, así como una alteración dimensional que induce modificaciones en el estado tensional que favorece la propagación de fisuras (Adams D. F. 1977), (Kalthoff J. F. 1995), (Viña J. 2002). El objetivo de este trabajo es estudiar el efecto que la combinación de la humedad y la temperatura tiene en el comportamiento a tracción y a fractura dinámica de dos materiales compuestos, fabricados a partir de una misma matriz termoplástica, reforzados uno con tejidos de fibra de vidrio y el otro de fibra de carbono, en períodos cortos de exposición.
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8.1.1 EJEMPLO DE LA INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL ENSAYO DE TRACCIÓN:
En una prueba a un acero inoxidable superdúplex tipo EN 1.4410 en donde se ensayó a tracción en el rango de temperaturas de 275 a 475ºC. La evolución, en función de la temperatura, de los valores de límite elástico y resistencia máxima indica la existencia de un fenómeno de envejecimiento por deformación (DynamicStrainAging, DSA). Para evaluar la influencia de la velocidad de deformación sobre dicho comportamiento se realizaron ensayos de tracción a dos velocidades diferentes, ambos a la temperatura de 325ºC, para la cual se había registrado la máxima manifestación de DSA. Dichos ensayos reflejaron una sensibilidad inversa a la velocidad de deformación lo que confirma la presencia de DSA en el acero bifásico estudiado.
Figura 10.1:Influencia de la temperatura sobre las características de la curva esfuerzo-deformación de un polímero semicristalino.
8.2 MÉTODO DE OFFSETEl método de off-set sirve para hallar la fluencia de un material de manera aproximado.
Este método consiste en trazar una recta paralela al límite de proporcionalidad de la curva del material, una cierta distancia que comúnmente es de 0.02% la deformación total del material o sino el 0.02% en la unidad que estamos trabajando. Dicha recta paralela interceptará a la curva de esfuerzo versus deformación del material ensayo en el punto donde podremos calcular dicha fluencia del material.
Este método va aplicado mayormente a los materiales no ferrosos como el bronce ya que no tienen su punto de fluencias muy pronunciadas, sin embargo no es muy recomendado para los materiales ferrosos como el acero, cobre, aluminio ya que dicho resultado tendrá un mayor error en el cálculo de la fluencia.
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Figura 10.2: Diagrama esfuerzo-deformación de un material dúctil. El punto P indica el límite proporcional; E, el límite elástico; Y, la resistencia de fluencia
convencional determinada por corrimiento paralelo (offset) según la deformación seleccionada OA; U, la resistencia máxima, y F, el esfuerzo de la fractura o ruptura.
8.3 NORMALIZACIÓN SEGÚN LA NORMA ASTM E8
Estos métodos de ensayo cubrir los ensayos de tracción de materiales metálicos, en cualquier forma a temperatura ambiente, en particular, los métodos de determinación de la resistencia a la fluencia, fluencia, resistencia a la tracción, el alargamiento y la reducción de área.
La longitud de calibre para los especímenes más redondas deben ser 4D para E 8 y 5D E 8M. The gage length is the most significant difference between E 8 and E 8M Test Specimens Test specimens made from powder metallurgy (P/M) materials are exempt from this requirement by industry-wide agreement to keep the pressing of the material to a specific projected area and density. La longitud del calibrador es la diferencia más significativa entre E 8 y E 8M DE MUESTRAS DE ANÁLISIS especímenes de la prueba a partir de la metalurgia de polvos (P / M) los materiales están exentos de este requisito por la industria-un amplio acuerdo para mantener la presión de la materia a un área específica prevista y la densidad.
Excepciones a las disposiciones de estos métodos de prueba deben realizarse en las especificaciones individuales o métodos de prueba para un determinado material. Forexamples, see Test Methods and Definitions A 370 Para ejemplos, vea Métodos de ensayo y Definiciones A 370 and Test Methods B 557 y métodos de prueba B557, B557M,
B557m. Los valores indicados en unidades SI deben ser considerados como algo separado de
pulgada / unidades de libras. Los valores indicados en cada sistema no son equivalentes exactos, por lo que cada sistema debe ser utilizado independientemente de la otra. La
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combinación de los valores de los dos sistemas puede resultar en la no conformidad con la norma.
Es responsabilidad del usuario de esta norma establecer prácticas apropiadas de seguridad y salud y determinar la aplicabilidad de las limitaciones reglamentarias antes de su uso.
8.4 PROBETAS PARA TRACCIÓNLas probetas para los ensayos de tracción pueden ser: industriales o calibradas; estas últimas, se emplean en experiencias más rigurosas y adoptan formas perfectamente cilíndricas o prismáticas, con extremos ensanchados, no solo para facilitar su sujeción en la máquina de ensayo, sino para asegurar la rotura dentro del largo calibrado de menor sección; en la cual se marcan los denominados “Puntos fijos de referencia” a una distancia inicial preestablecida (lo), que permitirá después de la fractura, juntando los trozos, determinar la longitud final entre ellos (L).
Estos hechos han motivado la normalización de la longitud inicial, estipulándose que dos o más ensayos pueden compararse en sus alargamientos, si las probetas son geométricamente semejantes, lo que se logra cuando lo es proporcional al diámetro o raíz cuadrada de la sección. O sea que los ensayos sobre probetas distintas resultan comparables si se cumple que la ley de semejanza:
8.4.1 TIPOS DE PROBETASLas 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. La sección de la probeta puede ser circular, cuadrada o rectangular.
Generalmente las probetas de ensayo para materiales no metálicos se pueden preparar por prensado, por inyección o bien por arranque de viruta mediante corte de planchas.
En general hay tres tipos de probeta:
a) Plásticos rígidos y semirrígidas.
M-I es la muestra preferida y se usará cuando haya material suficiente tendiendo un espesor de 10 mm o menor.
El tipo de probeta M-III se empleará cuando el material sometido al ensayo presente un espesor de 4 mm o menor y el tipo de probeta M-II se usará cuando sean requeridas comparaciones directas entre materiales con diferente rigidez (no rígida y semi-rígida).
b) Plásticos no rígidos
Se emplea el tipo de probeta M-II con espesores de 4 mm o menores. El tipo de probeta M-I debe ser empleado para todos los materiales con espesores comprendidos entre 4 y 10 mm.
c) Materiales compuestos reforzados
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Las probetas para materiales compuestos reforzadas serán del tipo M-I. En todos los casos el espesor máximo de las probetas será de 10 mm. Las probetas que se van a ensayar deben presentar superficies libres de defectos visibles, arañazos o imperfecciones. Las marcas correspondientes a las operaciones del mecanizado de la probeta serán cuidadosamente eliminadas con una lima fina o un abrasivo y las superficies limadas serán suavizados con papel abrasivo. El acabado final se hará en una dirección paralela al eje largo de la probeta.
9 APÉNDICE
9.1 LÍMITE DE PROPORCIONALIDADSi un material es sometido a tracción, es decir si el mismo es solicitado desde sus extremos en direcciones opuestas, la longitud del mismo aumenta y eventualmente, si la fuerza es grande, el material puede romperse. En esta sección veremos la conexión entre los efectos de las fuerzas y las deformaciones que las mismas causan sobre una muestra de material. Si una muestra cilíndrica de material, de sección transversal A, y longitud inicial L0 es sometida a tracción, mediante una fuerza F que actúa a lo largo de su eje, la misma sufrirá un estiramiento de magnitud ΔL. Si ΔL/L0<<1, se encuentra experimentalmente que para un rango limitado de las fuerzas aplicadas, ΔL es proporcional a la fuerza aplicada (F), a su longitud original (L0) e inversamente proporcional al área de su sección transversal(A), es decir:
∆ L∝F×L0
A
Esta relación la notó primero Robert Hooke (1635-1703), un contemporáneo y rival de Newton. Esta expresión fenomenológica, válida para una gran variedad de materiales, pero no de carácter universal (como las leyes de Newton o las Ecuaciones de Maxwell), se puede escribir como:
E×∆ LL0
= FA
Donde E es una constante característica de del material que forma el objeto y que se denomina módulo de Young o módulo de elasticidad, al módulo de elasticidad también se los suele designar con la letra Y. En rigor esta relación solo vale en la llamada zona de proporcionalidad. El cociente F/A se denomina esfuerzo (stress) y se denota con la letra σ, sus unidades son las mismas que las de presión (Pa). Al cociente L/L0 se lo denomina deformación unitaria (strain) y se la denota con la letra, esta magnitud es a dimensional (no tiene unidades). Con esta notación la expresión se puede escribir como:
σ=E×=Y ×
Al principio del estiramiento, la deformación es proporcional al esfuerzo, es zona de validez de la Ley de Hooke. Esto ocurre hasta que el esfuerzo aplicado alcanza un valor llamado “Límite de proporcionalidad” (σpr). Si el material es sometido hasta este valor de esfuerzo, al suprimir el mismo, el material retoma su forma original sin sufrir deformación permanente.
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Más allá del Límite de proporcionalidad, la gráfica se desvía de la recta y no existe una relación sencilla entre σ y ε. Sin embargo, hasta el límite elástico, el objeto regresará a su longitud original si se remueve la fuerza aplicada, es decir los esfuerzos aplicados no producen deformaciones permanentes (caracterizada por el valor de deformación residual ε0) en el material. La zona desde el origen hasta el límite elástico se llama zona elástica. Si el objeto se somete a un esfuerzo más allá del límite elástico, entra a la región plástica y no regresará a su longitud original al retirar la fuerza aplicada, sino que quedará permanentemente deformado, esto es el material presenta efectos de histéresis. Si el esfuerzo continúa incrementándose más allá del límite elástico, se alcanza de ruptura. Entre el límite elástico y el punto de ruptura, a menudo existe una zona de fluencia, donde el material se deforma fácilmente, sin necesidad de aumentar el esfuerzo (región plana de la curva).
9.2 ALARGAMIENTO El ensayo de tracción para la determinación del alargamiento se realiza aumentando aproximadamente la tensión en 1Kg/mm2 por segundo, de manera que se produzca alargamiento máximo de 0,3 por ciento por minuto en el, periodo elástico. En el periodo plástico, la velocidad de aumento de carga no será superior a la que produzca una deformación por minuto igual al 25 por ciento de la distancia entre puntos. Si no interesa hallar el límite de elasticidad, puede mantenerse esta misma velocidad durante todo el ensayo.
Una vez rota la probeta, se unen las dos partes y se miden la distancia entre marcas. Se denomina alargamiento al experimento por la probeta, expresado en tanto por ciento de la longitud inicial entre puntos:
A=L1−L0L0
×100
Siendo L0 la longitud inicial o distancia entre marcas de la probeta y L1 su longitud final.
El alargamiento que se produce es distinto según la posición de la sección de rotura, y será tanto menor cuanta más cerca se halle de uno de los extremos. Por esta razón sólo es aplicable la fórmula anterior cuando la rotura haya tenido lugar en el tercio central de la probeta.
Pueden, sin embargo, utilizarse todos los ensayos de alargamiento, aunque se rompan las probetas fuera del tercio central, si se marcan previamente, dividiendo su longitud entre las marcas externas, en un número de partes iguales.
Entonces, si la rotura se produce descentrada, el aumento de longitud L1 - L0 se calculara en función de las siguientes longitudes parciales.
1' = a la distancia de la sección de rotura a la última marca más cercana. 1'' = a la distancia de la sección de rotura a la marca número 10, hacia el extremo opuesto
de la marca anterior. 1''' = a la longitud de un numero de marcas iguales a las que haya de la 10 al final de la
probeta, pero medidas en sentido contrario.
Resultando entonces la fórmula del alargamiento:
3
A=1'+1' '+1' ' '−L₀L₀
×100
9.3 FLUENCIADeformación que se produce en un período cuando un material está sometido a un esfuerzo constante y a temperatura constante. En los metales, la fluencia suele producirse únicamente a elevadas temperaturas. La fluencia a temperatura ambiente es más común en los materiales plásticos y se conoce como flujo frío o deformación bajo carga. Los datos obtenidos en un ensayo de fluencia se suelen presentar en un gráfico de fluencia contra tiempo con esfuerzo y temperatura constantes. La pendiente de la curva es la velocidad de fluencia y el punto final de la curva es el tiempo para ruptura. Como se indica en el diagrama adjunto, la fluencia de un material se puede dividir en tres etapas. La primera etapa, o fluencia primaria, comienza a una velocidad rápida y aminora con el tiempo. La fluencia de segunda etapa o secundaria presenta una velocidad relativamente uniforme. La fluencia de tercera etapa o terciaria presenta una velocidad de fluencia acelerada y termina debido a un fallo del material en el momento de la ruptura.
9.4 ESTRICCIÓNEstricción es la disminución de la sección en la fractura de una probeta rota por alargamiento. Se expresa en tanto por ciento de la sección inicial, o sea:
ε=S₀−S₁S₀
×100
Siendo S₀ la sección inicial y S₁ la sección de rotura.
La rotura de una probeta puede producirse de dos maneras:
a) Después de la deformación elástica, entonces la rotura se produce bruscamente sin deformación aparente en su sección, es decir, sin estricción. Esta clase de rotura se produce cuando los materiales son pocos dúctiles o cuando sus estructuras están en estado de tensión.
b) Después de la deformación plástica. En este caso, la probeta disminuye de sección sensiblemente en las proximidades de la sección de ruptura.
Si las probetas son de sección circular, como ocurre generalmente, puede calcular su área por la conocida fórmula:
S= π4×D2
Pudiendo transformarse la fórmula de la estricción así:
ε=D ₀2−D ₁2
D ₀2 ×100
Siendo D ₀el diámetro inicial y D ₁ el diámetro de la sección rota.
