Ensayo de tracción

El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la misma. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Las velocidades de deformación en un ensayo de tensión suelen ser muy pequeñas (ε = 10^–4 a 10^–2 s^–1).

Probeta de cobre durante el ensayo de tracción.

Probeta de cobre fracturada después del ensayo de tracción.

En un ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de los materiales elásticos:

Una vez superado el límite de fluencia, se llega a un punto donde junto con la reducción elástica anterior asociada al efecto de Poisson, se produce la llamada estricción que es un fenómeno de plasticidad.

Normalmente, el límite de proporcionalidad no suele determinarse ya que carece de interés para los cálculos. Tampoco se calcula el Módulo de Young, ya que éste es característico del material; así, todos los aceros tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes. Los datos obtenidos en el ensayo deben ser suficientes para determinar esas propiedades, y otras que se pueden determinar con base en ellas. Por ejemplo, la ductilidad se puede obtener a partir del alargamiento y de la reducción de área.

En el ensayo se mide la deformación (alargamiento) de la probeta entre dos puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga aplicada, y se representa gráficamente en función de la tensión (carga aplicada dividida por la sección de la probeta). En general, la curva tensión-deformación así obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas:

Otras características que pueden caracterizarse mediante el ensayo de tracción son la resiliencia y la tenacidad, que son, respectivamente, las energías elástica y total absorbida y que vienen representadas por el área comprendida bajo la curva tensión-deformación hasta el límite elástico en el primer caso y hasta llegar a rotura en el segundo.

Las probetas utilizadas en el ensayo de tracción tienen una sección transversal circular o rectangular. La parte central debe estar mecanizada para que su sección sea constante. Si el material es frágil, será preciso pulir la superficie.

Sobre la parte calibrada se marca la longitud inicial (${displaystyle L_{0}}$) de la probeta. La longitud de la parte calibrada debe estar comprendida entre ${displaystyle L_{0}+{frac {d}{2}}}$ y ${displaystyle L_{0}+2d}$ si las probetas son cilíndricas. Si las probetas son rectangulares o cuadradas la longitud comprenderá entre ${displaystyle L_{0}+1{,}5{sqrt {S_{0}}}}$ y ${displaystyle L_{0}+2{,}5{sqrt {S_{0}}}}$.

En los extremos de la probeta la sección aumenta para facilitar su sujeción a las mordazas de la máquina de tracción. Estas zonas reciben el nombre de cabezas. Para evitar zonas en las que se concentren las tensiones, la sección de la probeta varía desde la parte calibrada a la cabeza de una forma suave y gradual.

Para que los ensayos con probetas de diferentes dimensiones sean comparables, es preciso que ${displaystyle K={frac {L_{0}}{sqrt {S_{0}}}}={frac {L'_{0}}{sqrt {S'_{0}}}}}$ se mantenga constante.

Si la probeta recupera su longitud inicial, el límite de elasticidad será superior a la tensión aplicada, y se debe continuar el ensayo con tensiones mayores. Si la probeta muestra una deformación permanente, la tensión será superior al límite de elasticidad. Una vez deformada, la probeta queda inservible y se deberá continuar acotando inferior y superiormente al límite de elasticidad utilizando otras probetas.

Para solventar estas dificultades se utilizan dos tensiones:

La interpolación es una práctica habitual cuando se disponen de varias parejas de datos (x_i, y_i) y se quiere determinar la ordenada y₀, que corresponde a una determinada abscisa (x₀).

La interpolación lineal considera que la ordenada varía de forma lineal entre cada dos parejas de puntos. Si se tienen la pareja de datos (1,2), (3,4) y (4,5), y se quiere conocer la ordenada que corresponde a x₀ = 2,5, se toman las dos primeras parejas de puntos y se considera la recta que pasa por ellos. La ordenada buscada (y₀ = 3,5) será la que corresponda a x₀.

siendo ${displaystyle L_{F}}$ la longitud de la probeta después del ensayo.

siendo ${displaystyle S_{F}}$ la sección más pequeña de la probeta.

Si las probetas son rectangulares, el cálculo de las estricciones de rotura, la sección ${displaystyle S_{F}}$ se expresa mediante:

siendo a' y b' las dimensiones.

A medida que transcurre el ensayo, la sección de la probeta va disminuyendo paulatinamente, y la tensión que soporta es:

siendo S la sección de la probeta en cada instante, la cual alcanza su valor mínimo en la zona de estricción, y ${displaystyle sigma _{v}}$ la tensión verdadera.

A medida que transcurre el ensayo, la longitud de la probeta se va incrementando paulatinamente, y la deformación se deberá medir respecto a la longitud que presenta en cada momento. La deformación vendrá dada por:

siendo L la longitud de la probeta en cada momento del ensayo y ${displaystyle varepsilon _{v}}$ la deformación verdadera.

En muchos metales la tensión y la deformación verdaderas están ligadas por la relación de Hollomon: ${displaystyle sigma _{v}={K}cdot {varepsilon _{v}^{n}}}$, donde K y n son constantes características del material.

Muchos metales como los aceros en bajo contenido de carbono, no presenta una transición gradual entre las zonas de comportamiento elástico y plástico. Una vez superado el límite de la zona elástica, existe una zona de fluencia o cedencia, en la que la probeta experimenta una deformación plástica bajo una tensión fluctuante. La existencia de la fluencia se debe a la presencia de impurezas de nitrógeno.

En estos casos se definen dos tensiones:

Cuando se diseña un elemento de una estructura es preciso conocer todas las fuerzas que se ejercen en él, para calcular su sección de tal forma que se encuentre dentro de la zona de proporcionalidad entre su deformación y tensión. Así se asegura que la deformación sufrida por el material sea reversible y proporcional a la tensión soportada.

Realmente no se puede valorar con exactitud las fuerzas a las que va a estar sometida una pieza. En estos casos se actúa mayorando las fuerzas a las que se puede encontrar sometida la pieza y/o minorando la resistencia del material.

En el primer caso las fuerzas que actúan sobre el elemento se multiplican por un coeficiente de seguridad mayor que la unidad. En el segundo caso una tensión indicativa de la resistencia del material se divide por otro coeficiente de seguridad mayor que la unidad.

Las máquinas utilizadas en el ensayo de tracción constan de un dispositivo productor de carga, y otro dispositivo medidor de cargas y desplazamientos registrados. La máquina debe cumplir las siguientes características:

El dispositivo productor de cargas puede ser mecánico y neumático, con un cabezal móvil y otro cabezal fijo.

El dispositivo medidor de cargas y desplazamientos funciona electrónicamente, y regulan la velocidad de aplicación de la carga y generan diagramas impresos de la curva de tracción.

Los ensayos de tracción por lo general deben cumplir con los requisitos dado las normas con la que se realiza, las cuales definen la forma y dimensiones de la probeta, la velocidad de la prueba, la calibración y precisión del equipo, las condiciones ambientales y la información que se debe presentar en el informe de la prueba. Para materiales metálicos los estándares implementados son la EN ISO 6892-1 y la ASTM E8/8M.