Ensayo de Tracción

SOLICITACIONES, TENSIONES

Como es sabido, según las cargas aplicadas a un cuerpo, podemos hacer una clasificación genérica de solicitaciones simples distinguiendo: tracción, compresión, corte, flexión, torsión. Podemos decir que existen distintas formas de combinación de estas solicitaciones y que en general las solicitaciones dan origen a tensiones de dos tipos: tensiones normales (a) y 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.

Del estudio de la resistencia de materiales se obtienen fórmulas y metodologías que permiten calcular en  base al estado de cargas aplicado, las tensiones correspondientes a cada punto. es decir el estado de tensiones del cuerpo. Luego para poder establecer la resistencia o no del cuerpo hacen falta valores característicos del material para poder comparar las tensiones aplicadas al material con las que éste puede soportar. Idéntico razonamiento en forma inversa se aplica para dimensionar una pieza.

El ensayo de tracción permite obtener para el material, entre otras características, la tensión normal máxima que soporta y fundamentalmente la tensión normal en que el material deja de comportarse elásticamente, característica primordial en el cálculo basado en la resistencia de materiales. Pero además este ensayo permite determinar las principales características de un material: resistencia, comportamiento, ductilidad -fragilidad, alargamiento, estricción, etc. que se definirán más adelante.

El esfuerzo de tracción es el más sencillo de aplicar a una probeta pues sólo se trata de aplicar una carga axial sobre la misma, obteniéndose fa tensión correspondiente simplemente como el cociente entre la carga aplicada y la sección:

d=   P

       Q

Mediante este simple método se puede caracterizar a un material obteniéndose tensiones a características de su comportamiento que son aplicables a los cálculos correspondientes a cualquier solicitación mas compleja que involucre tensiones normales. 

-CONCEPTOS: DEFORMACIONES, RESISTENCIA y PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES

DEFORMACIONES

DEFORMACION NO PERMANENTE: Deformación 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 produjo.

RESISTENCIA DEL  MATERIAL:

Deformación 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 deformaciones permanentes.

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES:

ELASTICIDAD: Propiedad del material de volver a sus dimensiones iniciales luego de retirada la carga actuante.

FRAGILIDAD: Es el compor1amiento que presenta un material que llega a la rotura con ausencia de deformaciones permanentes.

PLASTICIDAD: Propiedad del material de poder deformarse en forma permanente. El comportamiento plástico a la tracción se llama DUCTILIDAD y el comportamiento plástico a la compresión se llama MALEABILIDAD. Debido a que en mecánica es mas común trabajar a la tracción se suele decir que un material es frágil o dúctil en lugar de frágil o plástico.

DUCTILIDAD: Comportamiento plástico a la tracción, capacidad para alargarse del material en forma de hilos.

MALEABILIDAD: Comportamiento plástico a la compresión, capacidad para ser extendido en forma de láminas

TENACIDAD: Propiedad del material de soportar esfuerzos sin llegar a romperse. tanto elásticamente como plásticamente.

2.- CARACTERISTICAS  DEL ENSA YO DE TRACCIÓN

2.1.- DIAGRAMAS DEL ENSAYO DE TRACCION

2.1.1- DIAGRAMA CARGA - ALARGAMIENTO

El diagrama que se obtiene del ensayo en forma directa mediante un registrador X-Y lleva el registro de cargas en el eje vertical y el alargamiento en el eje horizontal. La correcta programación de las escalas del registrador permite obtener gráficos que detallen con claridad los comportamientos que mas adelante se describen. Se obtienen generalmente sobre papel milimetrado para facilitar las determinaciones y cálculos posteriores. 

2.1.2.- DIAGRAMA CONVENCIONAL TENSION- DEFORMACION

Los diagramas carga-alargamiento no son comparativos entre si para distintos ensayos pues dependerán de la geometría de las probetas, el diagrama que tiene real aplicación práctica es el que refiere las cargas a la sección y el alargamiento a la longitud total, es decir el diagrama tensión-deformación específica, que resultará independiente de la probeta utilizada y será una característica propia del material.

La tensión en cada punto se calcula convencionalmente en referencia ala sección inicial So de la probeta

2.2- COMPORTAMIENTO – ETAPAS DEL ENSAYO - PERIODOS

DIAGRAMA CARACTERISTICO DE ACERO DÚCTIL 

Este gráfico que vamos a analizar es el diagrama característico de un acero dúctil, donde se cumplen claramente todas las etapas que vamos a describir.

En una primera etapa al ir aplicando carga se obtiene deformaciones proporcionales a la carga aplicada, describiendo el diagrama una recta perfecta, el acero es el metal que cumple con esta particularidad, (ley de Hooke), hasta llegar a una δp, límite de proporcionalidad, a partir de donde no describe una recta sino que comienza a curvarse hasta llegar al límite de elasticidad δe, hasta ese punto el material no queda con deformaciones permanentes si retiramos la carga. éste orden se cumple en casi todos los aceros excepto escasas excepciones donde el limite elástico es inferior al de proporcionalidad, pero puede tomarse como regla casi general.

A partir de allí continua la curva hasta alcanzar el comienzo de la fluencia llamando limite superior de fluencia δf.

Como es muy difícil determinar sobre el diagrama el limite de proporcionalidad y el límite elástico, se toma como límite convencional al límite de fluencia, que puede observarse fácilmente. Por lo tanto en la practica se toma δf como límite elástico, de todos modos la deformación entre el límite elástico y el límite de fluencia es mínima y no es del todo permanente pues desaparece luego de un tiempo.

El fenómeno de fluencia que comienza a producirse consiste en pequeños avances y retrocesos de la carga con deformación permanente del material. Este período, también llamado de escarmiento es muy característico de los aceros dúctiles.

La probeta se sigue deformando con una disminución de carga, aún no se ha establecido bien la causa pero hay un acomodamiento de los planos cristalinos que en una probeta pulida se manifiesta como líneas a 45°, llamadas líneas de Ludes o líneas de Hartan, se producen desconexiones y los átomos extraños no logran insertarse en el acomodamiento y se producen los saltos.

Las oscilaciones denotan que la fluencia no se produce simultáneamente

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.

A partir de allí con pequeños aumentos de carga se deforma la probeta sensiblemente a lo largo de toda su longitud (alargamiento homogéneo), es el período de las grandes deformaciones, hasta que se alcanza una PMAX correspondiente a ðET.

A partir de aquí la deformación se localiza en una determinada zona de la probeta, provocando un estrechamiento de la sección (estricción) que lleva finalmente a la rotura, este es el periodo de estriccíón.

Durante el período de estricción la carga disminuye debido a que disminuye la sección al ir produciéndose su estrechamiento. La tensión en que se produce la rotura final ( tensión de rotura, δR) no tiene importancia a los fines prácticos.

PERIODO ELASTICO: Es el que va desde el inicio de aplicación de cargas hasta el límite elástico δf.

PERIODO PLASTICO: Es el que va desde el límite elástico hasta la rotura del material

CONCLUSIONES A PARTIR DEL DIAGRAMA: Para un acero ensayado a la tracción y obtenido su diagrama podemos sacar conclusiones respecto de sus características:

·         Es más elástico cuanto mayor es δf.

·         Es más frágil cuanto menor es su período plástico-

·         Es mas dúctil cuanto mayor es su estricción de rotura j

·         En general para materiales frágiles αf tiende a ser alto, no presentan fluencia ni estricción y el período plástico es muy

     corto

2.3.- PERIODO DE PROPORCIONALIDAD -LEY DE HOOKE

Durante el período de proporcionalidad el gráfico presenta una recta, es en este período que se cumple la llamada ley de Hooke, como puede verse la tensión es proporcional a la deformación, por lo tanto matemáticamente existe una constante de proporcionalidad :

δ= є. E

Siendo E la constante de proporcionalidad. que recibe el nombre de módulo de Young o módulo de elasticidad longitudinal y su valor es para los aceros de alrededor de

E= 2,1 x 106 Kg/cm2

Al ser la deformación especifica ε adimensional, E tiene las mismas unidades que la tensión δ

Es fundamental tener en cuenta que esta ley se cumple y es apreciable en los aceros pero no en todos los materiales pues no todos presentan período de proporcionalidad y en muchos metales se cumple sólo a muy bajos valores de carga.

Por ser en los aceros el período de proporcionalidad casi coincidente con el período elástico. se puede considerar que esta ley caracteriza el comportamiento elástico de los aceros.

2.4.- PARÁMETROS A OBTENER

El ensayo de tracción permite obtener, como vimos, diagramas que permiten caracterizar integralmente al material bajo esta solicitación involucrando una serie de parámetros. Este ensayo en la práctica de rutina de laboratorio se utiliza para caracterizar al material, tratando de determinar fundamentalmente:

·         d ET      O" estático a la tracción, tensión para la carga máxima

·         dF         δ  de  fluencia

·         dp        δ  de  proporcionalidad

·         d           alargamiento de rotura estricción

·                      idea de fragilidad-ductilidad

·                      características de la fractura

Los valores de fluencia y proporcionalidad a veces son difíciles de observar por lo que se determina un valor límite de elasticidad convencional como luego se verá.

En cualquier catalogación de aceros se especifica a los mismos por estos parámetros que acabamos de señalar, existiendo para cada composición de aceros una valor nominal de cada uno de estos parámetros.

2.5.- TIPOS DE FRACTURA DE LA PROBETA

Al someter al material a un esfuerzo de tracción se producen tensiones normales y tangenciales que tienden a separar ya deslizar respectivamente las partículas del mismo. Durante el período elástico se producen tensiones normales, pasado el límite elástico aparecen en los metales dúctiles tensiones tangenciales que producen deslizamientos en planos cristalográficos que reducen la sección y aumentan hasta producirse l

a rotura.

Los materiales frágiles ofrecen gran resistencia al deslizamiento evitando grandes deformaciones aún para valores máximos de esfuerzos tangenciales por lo que la rotura se produce por arrancamiento debido a tensiones normales.

El acero dulce (bajo contenido de carbono) es un caso típico de material dúctil, que presenta fractura tipo "cráter" o "copa y cono". La fractura se inicia   como una fisura en el centro de la sección al separarse los granos que están en condiciones más desfavorables. propagándose rápidamente hacia los bordes. Antes de alcanzar los bordes actúan las tensiones tangenciales produciéndose la fractura final por deslizamiento en planos a 45°.

En cambio la fundición gris se caracteriza por su comportamiento frágil, obteniéndose una fractura sin estricción y según un plano normal al eje de la probeta. Los aceros al C se hacen más frágiles cuanto mayor es su contenido de carbono.

La observación de la fractura de la probeta permite establecer importantes conclusiones respecto de la ductibilidad o fragilidad del material

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