Ensayo de TraccinSOLICITACIONES, TENSIONES

Como es sabido, segn las cargas aplicadas a un cuerpo, podemos hacer una clasificacin genrica de solicitaciones simples distinguiendo: traccin, compresin, corte, flexin, torsin. Podemos decir que existen distintasformasde combinacin de estassolicitacionesy que en general lassolicitacionesdan 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 crtico para el cual se produce la decohesin del material, las tangenciales tienden a generar deslizamientos entre secciones.

Del estudio de la resistencia dematerialesse obtienen frmulas y metodologas que permitencalcularen 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 caractersticos del material para poder comparar las tensiones aplicadas al material con las que ste puede soportar. Idnticorazonamientoen formainversase aplica para dimensionar una pieza.

El ensayo de traccin permite obtener para el material, entre otras caractersticas, la tensin normal mxima que soporta y fundamentalmente la tensin normal en que el material deja de comportarse elsticamente, caracterstica primordial en el clculo basado en la resistencia demateriales. Pero adems este ensayo permite determinar las principales caractersticas de un material: resistencia, comportamiento, ductilidad -fragilidad, alargamiento, estriccin, etc. que se definirn ms adelante.

El esfuerzo de traccin es el ms sencillo de aplicar a una probeta pues slo se trata de aplicar unacargaaxial sobre la misma, obtenindose fa tensin correspondiente simplemente como el cociente entre lacargaaplicada y la seccin:

=P Q

Mediante este simple mtodo se puede caracterizar a unmaterial obtenindose tensiones a caractersticas de su comportamiento que son aplicables a los clculos correspondientes a cualquier solicitacin mas compleja que involucre tensiones normales.

-CONCEPTOS: DEFORMACIONES, RESISTENCIA y PROPIEDADES MECANICAS DE LOSMATERIALESDEFORMACIONES

DEFORMACION NO PERMANENTE: Deformacin que se produce en un material mientras se mantiene aplicada unacargaque desaparece al cesar la aplicacin de la misma, recuperando el material sus dimensiones originales.

DEFORMACION PERMANENTEretirada lacargaque la produjo.

RESISTENCIA DEL MATERIAL:

Deformacin que queda en un material luego de

RESISTENCIA A LA ROTURA: Capacidad del material para soportar cargas externas sin llegar a la rotura.

RESISTENCIA ELSTICA: Capacidad del material para soportar cargas externas sin quedar con deformaciones permanentes.

PROPIEDADES MECNICAS DE LOSMATERIALES:

ELASTICIDAD:Propiedad del material de volver a sus dimensiones iniciales luego de retirada lacargaactuante.

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 plstico a la traccin se llamaDUCTILIDADy el comportamiento plstico a la compresin se llama MALEABILIDAD. Debido a que en mecnica es mas comn trabajar a la traccin se suele decir que un material es frgil o dctil en lugar de frgil o plstico.

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

MALEABILIDAD:Comportamiento plstico a la compresin, capacidad para ser extendido en forma de lminas

TENACIDAD:Propiedad del material de soportar esfuerzos sin llegar a romperse. tanto elsticamente como plsticamente.

2.- CARACTERISTICAS DEL ENSA YO DE TRACCIN

2.1.-DIAGRAMASDEL ENSAYO DE TRACCION

2.1.1-DIAGRAMACARGA- ALARGAMIENTO

Eldiagramaque 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 programacin de lasescalasdel registrador permite obtener grficos que detallen con claridad los comportamientos que mas adelante se describen. Se obtienen generalmente sobre papel milimetrado para facilitar las determinaciones y clculos posteriores.

2.1.2.-DIAGRAMACONVENCIONAL TENSION- DEFORMACION

Losdiagramascarga-alargamiento no son comparativos entre si para distintos ensayos pues dependern de la geometra de las probetas, eldiagramaque tiene real aplicacin prctica es el que refiere las cargas a la seccin y el alargamiento a la longitud total, es decir eldiagramatensin-deformacin especfica, que resultar independiente de la probeta utilizada y ser una caracterstica propia del material.

La tensin en cada punto se calcula convencionalmente en referencia ala seccininicialSo de la probeta

2.2- COMPORTAMIENTO ETAPAS DEL ENSAYO - PERIODOS

DIAGRAMA CARACTERISTICO DE ACERO DCTIL

Este grfico que vamos a analizar es eldiagramacaracterstico de un acero dctil, donde se cumplen claramente todas las etapas que vamos a describir.En una primera etapa al ir aplicandocargase obtiene deformaciones proporcionales a lacargaaplicada, describiendo eldiagramauna recta perfecta, el acero es el metal que cumple con esta particularidad, (ley de Hooke), hasta llegar a una p, lmite de proporcionalidad, a partir de donde no describe una recta sino que comienza a curvarse hasta llegar al lmite deelasticidade, hasta ese punto el material no queda con deformaciones permanentes si retiramos lacarga. ste orden se cumple en casi todos los aceros excepto escasas excepciones donde el limite elstico es inferior al de proporcionalidad, pero puede tomarse como regla casi general.

A partir de all continua la curva hasta alcanzar el comienzo de la fluencia llamando limite superior de fluencia f.

Como es muy difcil determinar sobre eldiagramael limite de proporcionalidad y el lmite elstico, se toma como lmite convencional al lmite de fluencia, que puede observarse fcilmente. Por lo tanto en la practica se toma f como lmite elstico, de todos modos la deformacin entre el lmite elstico y el lmite de fluencia es mnima y no es del todo permanente pues desaparece luego de un tiempo.

El fenmeno de fluencia que comienza a producirse consiste en pequeos avances y retrocesos de lacargacon deformacin permanente del material. Este perodo, tambin llamado de escarmiento es muy caracterstico de los aceros dctiles.

La probeta se sigue deformando con una disminucin decarga, an no se ha establecido bien la causa pero hay un acomodamiento de losplanoscristalinos que en una probeta pulida se manifiesta como lneas a 45, llamadas lneas de Ludes o lneas de Hartan, se producen desconexiones y los tomos extraos no logran insertarse en el acomodamiento y se producen lossaltos.Las oscilaciones denotan que la fluencia no se produce simultneamenteEn todo el material, por lo que las cargas se incrementan en forma alternada, hasta que el escarmiento es total y llegamos al lmite final o lmite inferior de fluencia.

A partir de all con pequeos aumentos decargase deforma la probeta sensiblemente a lo largo de toda su longitud (alargamiento homogneo), es el perodo de las grandes deformaciones, hasta que se alcanza una PMAX correspondiente a ET.

A partir de aqu la deformacin se localiza en una determinada zona de la probeta, provocando un estrechamiento de la seccin (estriccin) que lleva finalmente a la rotura, este es el periodo de estriccn.

Durante el perodo de estriccin lacargadisminuye debido a que disminuye la seccin al ir producindose su estrechamiento. La tensin en que se produce la rotura final ( tensin de rotura, R) no tiene importancia a los fines prcticos.

PERIODO ELASTICO: Es el que va desde el inicio de aplicacin de cargas hasta el lmite elstico f.PERIODO PLASTICO: Es el que va desde el lmite elstico hasta la rotura del material

CONCLUSIONES A PARTIR DELDIAGRAMA: Para un acero ensayado a la traccin y obtenido sudiagramapodemos sacar conclusiones respecto de sus caractersticas:

Es ms elstico cuanto mayor es f.Es ms frgil cuanto menor es su perodo plstico-Es mas dctil cuanto mayor es su estriccin de roturaEn general para materiales frgiles f tiende a ser alto, no presentan fluencia ni estriccin y el perodo plstico es muy corto

2.3.- PERIODO DE PROPORCIONALIDAD -LEY DE HOOKE

Durante el perodo de proporcionalidad el grfico presenta una recta, es en este perodo que se cumple la llamadaley de Hooke,como puede verse la tensin es proporcional a la deformacin, por lo tanto matemticamente existe una constante de proporcionalidad :

= . E

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

E= 2,1 x 106 Kg/cm2

Al ser la deformacin especifica adimensional, E tiene las mismas unidades que la tensin

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 perodo de proporcionalidad y en muchos metales se cumple slo a muy bajos valores de carga.

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

2.4.- PARMETROS A OBTENER

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

ET O" esttico a la traccin, tensin para la carga mximaF de fluenciap de proporcionalidad alargamiento de rotura estriccinidea de fragilidad-ductilidadcaractersticas de la fractura

Los valores de fluencia y proporcionalidad a veces son difciles de observar por lo que se determina un valor lmite de elasticidad convencional como luego se ver.

En cualquier catalogacin de aceros se especifica a los mismos por estos parmetros que acabamos de sealar, existiendo para cada composicin de aceros una valor nominal de cada uno de estos parmetros.

2.5.- TIPOS DE FRACTURA DE LA PROBETA

Al someter al material a un esfuerzo de traccin se producen tensiones normales y tangenciales que tienden a separar ya deslizar respectivamente las partculas del mismo. Durante el perodo elstico se producen tensiones normales, pasado el lmite elstico aparecen en los metales dctiles tensiones tangenciales que producen deslizamientos en planos cristalogrficos que reducen la seccin y aumentan hasta producirse l

a rotura.

Los materiales frgiles ofrecen gran resistencia al deslizamiento evitando grandes deformaciones an para valores mximos 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 tpico de material dctil, que presenta fractura tipo "crter" o "copa y cono". La fractura se inicia como una fisura en el centro de la seccin al separarse los granos que estn en condiciones ms desfavorables. propagndose rpidamente hacia los bordes. Antes de alcanzar los bordes actan las tensiones tangenciales producindose la fractura final por deslizamiento en planos a 45.

En cambio la fundicin gris se caracteriza por su comportamiento frgil, obtenindose una fractura sin estriccin y segn un plano normal al eje de la probeta. Los aceros al C se hacen ms frgiles cuanto mayor es su contenido de carbono.La observacin de la fractura de la probeta permite establecer importantes conclusiones respecto de la ductibilidad o fragilidad del material

Metodologia del Ensayo de TraccinNORMAS

Las normas internacionales hacen referencia al ensayo de traccin, a travs de la ASTM ES, o las DIN 50125I145I146. En nuestro pas la norma correspondiente es la IRAM-IAS U500-102, que se adjunta a la presente gua para completar la informacin, norma que est basada en la correspondiente a DIN.

El ensayo, extraccin y confeccin de probetas se realizar en base a la norma lRAM, as como las condiciones de ensayo. Se hace referencia a algunos parmetros con la nomenclatura clsica que difiere a la establecida en la norma (por ejemplo las tensiones que en la norma se llaman R)

Como puede observarse en las normas adjuntas, stas establecen toda la metodologa del ensayo, los parmetros a controlar, la forma de obtener los resultados, etc. haciendo que de esta manera los ensayos caractericen objetivamente al material y sean plenamente comparativos entre si.

3.2.-GEOMETRA DE LA PROBETA -DEFINICIONES

Longitud calibrada (Ic): Es la parte de la probeta de seccin constante, cilndrica o prismtica dentro de la cual se marca la longitud de referencia.

Longitud de referencia: Longitud entre marcas de referencia, realizadas dentro de la longitud calibrada, respecto de la cual se determina el alargamiento de la probeta durante el ensayo.

Longitud de referencia inicial (lo): Longitud de referencia previa a ensayar la probeta

Longitud de referencia final( l). : longitud de referencia luego de la rotura, medida con las partes cuidadosamente unidas y alineadas.

PROBETAS PROPORCIONALES. NORMALES EINDUSTRIALES

Para que los resultados obtenidos de alargamiento y estriccin sean comparativos entre si las normas determinan la ley de semejanza que deben cumplir las probetas. Los alargamientos resultan comparativos si lo esproporcionalal dimetro o raz cuadrada de la seccin. Las probetas que cumplen esta condicin se denominan probetas proporcionales. DINe lRAM establecen dos tipos:

Larga: lo = So1/2 lo = 10do

Corta: lo =So1/2 lo = 5do

Otras normas como ASTM, BSI, etc. establecen otras constantes de proporcionalidad.

Por otro lado tambin se establecen otras caractersticas que deben cumplir las probetas, en general adoptando secciones circulares o rectangulares con sus extremos ensanchados para facilitar su sujecin y para asegurar la rotura dentro de la longitud calibrada, vinculados mediante unradiode acuerdo determinado para evitar la concentracin de tensiones por cambio brusco de seccin. Las probetas que cumplen con la norma adoptada se denominan probetas normalizadas o normales.

Cuando se quieren realizar ensayos directamente sobrevarillasde metal o no es posible realizar probetas segn norma, se trabaja directamente con la barra de seccin constante, permitiendo slo realizar verificaciones de cargas y tensiones lmites. En este caso se denominan probetasindustriales.

3.4.- EXTRACCIN DE PROBETAS

Deben tomarse varias probetas de distintos puntos de la pieza de manera de obtener una media representativa de las caractersticas de la seccin total de la pieza (generalmente del lingote o la barra).

Por otro lado debe evitarse tomar muestras del centro, pues es donde se producen mayores segregaciones, lo que hace que las caractersticas no sean representativas del material. Tampoco es representativa la zona cercana al borde. Por ejemplo, si tomamos un redondo de acero de determinado dimetro, el lugar mas adecuado para obtener probetas es la zonaubicadaa 2/3 delradiomedidos desde el centro.

MARCADO DE LA PROBETA

Se deben marcar los extremos de la longitud de referencia y se deben realizar marcas de acuerdo a divisiones iguales de la longitud de referencia, que sern 20 divisiones para las probetas largas y 10 divisiones para las corias.

Para determinarcorrectamenteel alargamiento de rotura es necesario determinar con exactitud las mximas deformaciones que se producen en la probeta. lo cual se consigue solamente si la zona de extriccin est lo suficientemente alejada de las marcas extremas de la longitud de referencia. por lo tanto los valores de alargamiento se consideran vlidos nicamente si la fractura se produce dentro del tercio medio de la longitud de referencia. Existe un mtodo de correccin para el caso de que la rotura se produzca fuera del tercio medio, como se ver mas adelante.

Para probetasindustrialesse marcan 3 o ms longitudes de referencia, an dentro de la zona que ser sujetada por las mordazas para aumentar la probabilidad de que se cumpla en alguna longitud la condicin de rotura en su tercio medio.

3.5 MTODO DE AMARRE

Las probetas se sujetarn a la mquina de ensayo de acuerdo a las caractersticas de sta, por medios adecuados, tales como mordazas, cabezales roscados, cabezal con apoyo en resalte. etc.

En nuestro caso contamos con un par de mordazas de accionamiento hidrulico que permiten adems la alineacin automtica de los cabezales. Para este caso los extremos de la probeta son simplemente cilndricos

3.6ESCALASyRANGOS DE LAMQUINA DE ENSAYOS

Las mquinas de ensayos poseen en general distintos rangos, en el caso de la mquina a utilizar tendremos 4 rangos decarga, es decir que la misma puede operar al 100% hasta 250.000 N, o la misma seal de control puede determinar un mximo decargade 100.000' 50.000 o 25000 N

Segn lacargamxima que se prev alcanzar se adopta el rango que permita la mejor utilizacin del equipo obteniendo mayor exactitud.

Algo similar ocurre con el desplazamiento, que tiene un rango al 100% que permite una carrera mxima de 6" y rangos del 50, 20 y 10 %.

La combinacin del rango utilizado decargacon alguna de las 5escalasdel eje y del registrador determinar laescalade cargas deldiagramaobtenido.

De la misma manera la combinacin del rango de desplazamiento con alguna de las 5escalasdel eje X del registrador determina laescalade desplazamiento del pistn o alargamiento de la probeta.

3.7 VELOCIDAD DE ENSAYO

La variacin de la tensin aplicada durante la deformacin no debe ser mayor de 30(N/mm2)/seg.para tener una aplicacin cuasiesttica de lacarga, evitando entre otras cosas efectos de inercia que modifican, los resultados.(IRAM-IAS U500-102), que en la mayora de los equipos de ensayo implica una velocidad de alargamiento especifico de 0,00251/segdurante la deformacin plstica para probetas proporcionales de seccin circular .

3.8 MEDICION DE SECCION y LONGITUD FINALES

La medicin de la longitud final y la seccin final debern hacerse con sumo cuidado. Para la medicin de longitudes deber alinearse perfectamente la probeta, cuidando que haga perfectocontactoen la fractura.

Para la medicin de la seccin final, en el caso de probetas cilndricas se tomar el dimetro en la estriccin en dos ejes perpendiculares a fines de promediar la medicin, calculando la seccin como:

S=(3.1416 x dv x d2)/4