Ensayo de tracción y compresión

ENSAYO DE TRACCIÓN Y

COMPRESIÓN

Mag. MANUEL DE LA CRUZ VILCA

2011

Relación entre tensión y

deformación

INDICE

El Ensayo de Tracción.

Relación experimental entre

Tensión y Deformación.

Ley de Hooke.

Descripción del Diagrama Esfuezo-

Deformación.

Descripción del diagrama

esfuerzo-deformación

Dado que deformación y

tensión son causa y efecto, es

de esperar que los vectores

tensión y deformación

unitaria estén relacionados

entre sí.



Fijada la solicitación exterior es

evidente que la deformación que se

origina y, en consecuencia, la tensión

creada en el sólido elástico dependen

de las fuerzas de atracción

molecular, es decir, de la estructura

cristalina del material.



Se deduce, por tanto, que para obtener la

relación entre tensión y deformación

tendremos que proceder necesariamente

por vía experimental mediante ensayos

realizados en el laboratorio, en donde se

comprueba, en efecto, que para dos piezas

de distintos materiales, de iguales

dimensiones y sometidas al mismo estado

de cargas, las deformaciones son distintas.



Con objeto de ir fijando las ideas

veamos en que consiste el Ensayo de

Tracción, tomando, a modo de

ejemplo, un material como el acero

dulce, de notables aplicaciones en la

práctica.



Se realiza este ensayo

sometiendo una pieza recta de

dimensiones normalizadas

llamada probeta, a una fuerza de

tracción que se aumenta

gradualmente hasta la rotura.



En la probeta se realizan

previamente dos marcas, que

determinan una longitud denominada

distancia entre puntos, sobre las que

se efectúa, por medio de un

extensómetro, la medida de los

alargamientos.



Consideremos una probeta de sección

A a la que aplicamos en sus extremos

una fuerza F en dirección axial.



Esta fuerza causa en el interior del

material un estado de tensiones que

supondremos uniforme para

cualquier sección recta.



La tensión normal está relacionada con

la fuerza F mediante la ecuación:

A

F



La probeta, debido al esfuerzo,

se alarga.

Llamemos al alargamiento

unitario en el sentido

longitudinal.



Aumentando progresivamente el

valor de F y llevando los valores de

y a un gráfico cuyo eje de

ordenadas mida tensiones ( ) y el de

abscisas deformaciones unitarias

( ), se obtiene para el acero dulce el

Diagrama Tensión-Deformación.



Hasta un punto fsque se llama límite

de fluencia los

alargamientos son

pequeños pero al

llegar a él aumentan

considerablemente

sin necesidad de

aumentar la fuerza

F.



Para cierto tipo de

materiales la fuerza

disminuye hasta un

valor determinado por

el punto fi, denominado

límite inferior de

fluencia (en este caso fs

se llama límite superior

de fluencia).



Alcanzado el límite de fluencia al seguir

aumentado la fluencia sobre la probeta, la

curva es creciente hasta un valor máximo

cuya tensión correspondiente se llama

resistencia a la tracción o tensión de

rotura, a pesar de que ésta se produzca

instantes después, cuando el material sufre

un alargamiento en una parte pequeña de

la probeta.



Se forma una pequeña garganta o

huso, reduciéndose rápidamente la

sección transversal; la deformación

plástica, que se reparte en un

principio a lo largo de toda la

probeta, se concentra en una zona

originando la estricción, el esfuerzo

disminuye y la probeta se rompe.



Para el acero dulce la tensión de

rotura vale de 4.000 a 5.000

kp/cm2.

Realmente esto no acontece

como se ha indicado.



Cuando hemos hablado de que se ha

alcanzado un valor determinado de la

tensión, se ha calculado ésta dividiendo la

fuerza F ejercida por la sección inicial que

tenía la probeta, pero esta sección ha ido

disminuyendo lo que hace que el valor

indicado en la gráfica sea un valor erróneo

por defecto que irá aumentando con las

deformaciones.



Esto hace que la gráfica obtenida

sea falsa, sin embargo es la que

utilizamos en la práctica dado lo

laborioso que sería tener en

cuenta continuamente en el valor

de la tensión las variaciones de la

sección.



La determinación del

límite de elasticidad

es, en general, bastante

difícil por lo que en la

práctica se tomo como

este límite el punto fs

que se denomina

entonces límite

aparente de elasticidad.



Sin embargo, el tomar

este punto como límite

de elasticidad puede

traer consigo que se

pueda romper el

material sin necesidad

de llegar a la tensión de

rotura.



En efecto, si hacemos

desaparecer la carga

F cuando la tensión

1 pertenece a la

zona elástico-

plástica, queda una

deformación

permanente A.



Si aplicamos

nuevamente un

esfuerzo hasta

conseguir la misma

tensión anterior 1 se

observa que el

alargamiento 2 es

considerablemente

superior al 1, y las

cosas ocurren como se

indica en la Figura.



Si cesa la fuerza

causante de la

deformación se

mantiene una

deformación

permanente B

que, como se ve,

es notoriamente

mayor que A.



Al hacer el

proceso reiterativo

vemos que en una

de las operaciones

de someter la

probeta a la

tensión σ1, se

rompe sin llegar a

este valor.



Se deduce que sin

necesidad de aplicar una

tensión que llegue a r ni

aún que pertenezca a la

zona plástica, se puede

conseguir la rotura de un

material por aplicaciones

sucesivas de un esfuerzo

que produzca simplemente

una pequeña deformación

permanente.



El límite elástico

(punto b) es el

máximo esfuerzo

que se puede

alcanzar sin que

se produzcan

deformaciones

permanentes en

la probeta al

descargarla.



Para tener en cuenta la

precisión de los

ensayos, normalmente,

se admite como límite

elástico el esfuerzo al

que corresponde una

deformación

permanente

comprendida entre el

0,001% y el 0,005%.



Las importantes

deformaciones que

experimenta la

probeta en la zona de

fluencia, producen a

partir del punto d un

aumento de la

resistencia del

material conocida

por acritud.



Esta propiedad hace

que sea preciso

incrementar de nuevo

la carga para que las

deformaciones

continúen, hasta llegar

al punto e en que la

carga alcanza su valor

máximo al que

corresponde el

máximo esfuerzo

R, o esfuerzo de

rotura.



Hasta llegar al punto

d la probeta se ha

alargado

uniformemente en

toda su longitud y

este alargamiento

uniforme ha ido

acompañando de una

contracción lateral

también uniforme.



Sin embargo, a

partir del punto d, el

alargamiento y la

contracción lateral

se localizan en las

proximidades de una

sección de la

probeta en la que

posteriormente se

producirá la rotura.



Este fenómeno

conocido por

estricción, se

manifiesta de

forma poco

destacada en un

gran número de

materiales.



Una vez alcanzado el punto e

del diagrama la rotura de la

probeta es irreversible, ya que

aunque se disminuya la carga F

y, por tanto, se disminuyan los

esfuerzos = F/Ao, la probeta

experimenta deformaciones

cada vez mayores hasta

romperse, cuando las

deformaciones alcanzan en el

punto f su máximo valor o

deformación de rotura R.



Ello se debe a que

a partir del punto e

el debilitamiento

producido por la

estricción supera al

aumento de

resistencia de la

acritud.



El tramo final d-f

del diagrama en el

que se producen

las grandes

deformaciones de

la probeta

constituye la zona

plástica.



Supongamos que

se descarga

gradualmente una

probeta desde un

punto k, situado

fuera de la zona

elástica de un

diagrama de

ensayos de

tracción.



Durante la

descarga, el diagrama

esfuerzos-

deformaciones sigue

la recta kl, paralela a

Oa, hasta el punto l

que determina la

deformación

permanente, igual a

Ol.



Si de nuevo se

volviera a cargar la

misma probeta, el

diagrama esfuerzos-

deformaciones

estaría representado

por el tramo recto

inicial lk y la curva

kef.



El diagrama

esfuerzos-

deformaciones

representa los

esfuerzos reales en

la probeta

únicamente

mientras las

deformaciones son

pequeñas.



Cuando las deformaciones

son elevadas, para tener en

cuenta la reducción de la

sección transversal de la

probeta, los esfuerzos reales

se obtienen multiplicando las

ordenadas del diagrama

esfuerzos-deformaciones por

la relación Ao/A entre el área

Ao de la sección transversal

inicial y el área A que en

cada momento del ensayo

tiene la sección transversal

central de la probeta.



De esta forma se halla la

curva Oabcd’e’f’, que

representa el diagrama real

esfuerzos-deformaciones, en

el que puede observarse que

aunque la carga F disminuye

a partir del punto e, los

esfuerzos reales aumentan

hasta alcanzar su máximo

valor cuando la probeta se

rompe.



Los diagramas esfuerzos-

deformaciones

considerados hasta ahora

corresponden a materiales

dúctiles como el

acero, el aluminio y el

cobre, que se caracterizan

por una rotura precedida

de grandes

deformaciones.



Existen otros materiales

como la fundición, el

hormigón y el vidrio, para

los cuales los diagramas

esfuerzos-deformaciones no

presentan una zona de

fluencia definida, por lo que

en estos materiales se toma

convencionalmente como

esfuerzo de fluencia el

esfuerzo al que corresponde

una deformación permanente

igual al 0,2%.



En estos materiales

llamados

frágiles, la rotura

aparece

bruscamente sin

previo aviso, lo que

es un grave

inconveniente para

las estructuras.

Ensayo de Compresión



En ensayo de

compresión se realiza

colocando una

probeta cilíndrica o

prismática entre los

platos de una prensa.



Los materiales

dúctiles y los

materiales frágiles se

comportan también

diferentemente en los

ensayos de

compresión.



En efecto, el diagrama

esfuerzos-deformaciones

para los materiales

frágiles tiene las mismas

particularidades en un

ensayo de compresión

que en un ensayo de

tracción.



Por el contrario, en los

materiales dúctiles los

resultados de un ensayo de

compresión dependen

considerablemente de las

dimensiones de las

probetas, pudiendo no

alcanzarse la rotura a

compresión en probetas

poco esbeltas.

Procedimiento de realización

del Ensayo de Tracción

Realización práctica del

ensayo de tracción

Al resolver los problemas más

simples de tracción y

compresión, nos encontramos ya con

la necesidad de tener ciertos datos

experimentales previos sobre los

cuales se pueda basar la teoría e

introducir así ciertas

generalizaciones en el análisis de

estructuras concretas.


ensayo de tracción

Entre estos datos

experimentales se

encuentra, ante todo, la Ley

de Hooke que ya conocemos.


ensayo de tracción

Las características básicas de los

materiales en este caso son el

módulo de elasticidad, E, y el

coeficiente de Poisson, µ. Claro, que

estas magnitudes dependen de las

propiedades del material.


ensayo de tracción

E y µ dependen, ante

todo, del tipo de material

y, en cierta medida, de las

condiciones de tratamiento

térmico y mecánico.


ensayo de tracción

Para la solución de los

problemas prácticos es

indispensable tener también las

características numéricas de las

propiedades de resistencia del

material.


ensayo de tracción

Al estudiar los procesos de

doblado y estampado se

necesitan ciertos exponentes que

caracterizan la capacidad del

material de deformarse

plásticamente.


ensayo de tracción

En toda una serie de casos se

requieren datos sobre la

capacidad del material de

resistir las temperaturas

altas, de trabajar con cargas

variables, etc.


ensayo de tracción

De acuerdo con lo expuesto, se

realizan diversos tipos de

ensayos, siendo los principales y más

difundidos los ensayos a tracción y

compresión.

Con estos ensayos, se obtienen las

características principales de los

materiales.


ensayo de tracción

Para los ensayos a tracción se

emplean probetas especiales

que en su mayor parte se

tornean en barras o se hacen

de láminas.


ensayo de tracción

La particularidad esencial de las

probetas es la existencia de lugares

reforzados que sirven para fijarlas y

de una variación paulatina de la

sección hacia la parte de

trabajo, relativamente más estrecha y

debilitada.


ensayo de tracción

En la figura se muestran algunos

tipos de probetas.


ensayo de tracción

La longitud de la parte de

trabajo, ltrab es generalmente 15

veces superior al diámetro, d.


ensayo de tracción

Al medir las deformaciones, se usa

solamente la parte de esta longitud

que no supera los 10 centímetros.


ensayo de tracción

Existen al mismo tiempo probetas

más cortas, para las cuales ltrab/d no

es mayor que 5.


ensayo de tracción

En el caso de sección transversal

rectangular, se escoge como característica

que determina la longitud de trabajo, l, el

diámetro del círculo equivalente, d.


ensayo de tracción

En el ensayo se emplean probetas de dimensiones normalizadas, aunque en ocasiones se requieren probetas que tiene que diseñar el que ejecuta el ensayo.

Las probetas de metales suelen ser cilíndricascuando el material es forjado, fundido, en plancha de gran espesor, en barra o en redondos laminados.

Se utilizan probetas prismáticas cuando el material se encuentra en planchas de espesor medio o bajo.


ensayo de tracción


ensayo de tracción

Las probetas suelen tener una parte central calibrada, que se ensancha en los extremos para sujetarse a la máquina de tracción.

El hecho de que las probetas estén normalizadas permite hacer un estudio igual para cada material a nivel mundial, con lo que se obtienen resultados estandarizados que son de aplicación universal.


ensayo de tracción

La norma que regula el ensayo de tracción es la UNE7-474, mientras que las normas que afectan a los tipos de probetas y sus tolerancias se resumen a continuación:

– UNE 7282: Preparación de las probetas.

– UNE 7262-73: Tolerancias del mecanizado de las probetas.

– UNE 7010: Da algunas medidas recomendables para las probetas (So = 150 mm2; D = 13,8 mm; lo = 100 mm).


ensayo de tracción

En los ensayos a compresión se emplean

probetas cilíndricas cortas, cuya altura es

mayor que las dimensiones de la sección

en menos de dos veces.

En el caso de gran altura, la compresión de

la probeta va acompañada, como regla

general, de un pandeo que influye sobre

los resultados de los ensayos.


ensayo de tracción


ensayo de tracción

Las dimensiones absolutas de las probetas, tanto

en los ensayos a tracción como a compresión, dependen de la potencia1 de que disponen las máquinas y de las dimensiones de la pieza bruta de la cual se preparan las probetas.

– 1Cuando se habla de la potencia de una máquina de ensayo o de una prensa, se tiene en cuenta, no el trabajo que realiza por unidad de tiempo, sino la fuerza máxima que es capaz de desarrollar la máquina.


ensayo de tracción

En ensayo a tracción o compresión se

realiza en máquinas especiales, donde la

fuerza se crea, o bien por un peso que

actúa sobre la probeta mediante un sistema

de palancas, o por medio de la presión

hidráulica transmitida al émbolo.

En el primer caso la máquina se llama de

palanca y en el segundo hidráulica.


ensayo de tracción

Máquina de ensayo de palanca


ensayo de tracción

Del tornillo sin fin 1, a mano o con mando

eléctrico, gira la rueda dentada 2 que

desplaza hacia abajo el tornillo de fuerza 3.


ensayo de tracción

En la probeta 4 aparece de esta manera un

esfuerzo que a través de las palancas 5, 6 y 7 se

equilibra con el peso de la carga P en el brazo a.


ensayo de tracción

En la palanca 7 existe una graduación en

unidades de fuerza aplicada a la probeta.


ensayo de tracción

El desplazamiento del peso sobre la palanca

puede realizarse no solamente a mano, sino

también automáticamente.


ensayo de tracción

Máquina hidráulica de ensayo de tipo universal


ensayo de tracción

Una máquina

hidráulica de

ensayo de tipo

universal está

diseñada para los

ensayos a

tracción y a

compresión.


ensayo de tracción

En el espacio

interior del cilindro

1, mediante la

bomba 2, a

presión, se

introduce el

aceite, elevándose

así el émbolo 3.


ensayo de tracción

En el émbolo se

instala el pórtico

4, cuya parte

superior tiene un

cierre que fija la

probeta 5 que se

ensaya a tracción.


ensayo de tracción

En el caso de

compresión, la

probeta se instala

sobre la parte

inferior de la

plataforma.


ensayo de tracción

En la figura, la probeta para el ensayo a compresión está dibujada con la línea punteada y va señalada con la cifra 6.

El pórtico 10 es inmóvil.


ensayo de tracción

En la figura, su

plano

convencionalment

e se hace coincidir

con el del dibujo y

el del pórtico 4.


ensayo de tracción

El esfuerzo se

mide con un

manómetro 7,

cuya escala indica

la fuerza que actúa

sobre la probeta.


ensayo de tracción

Al terminar el

ensayo, el

aceite, bajo la

presión del pórtico

4, se desplaza por

la llave 8 hacia el

recipiente de aceite

9.


ensayo de tracción

La potencia de las máquinas de ensayo varía entre algunos gramos (para el ensayo de fibras e hilos) a cientos de toneladas (para los ensayos de estructuras grandes).

Las máquinas de pequeña potencia (hasta una tonelada) se hacen generalmente del tipo de palanca.

Para mayores potencias es preferible el principio hidráulico.


ensayo de tracción

Durante los ensayos a tracción, la probeta se fija

en los cierres de la máquina, o mediante cuñas

que aprietan automáticamente la probeta (a), o

mediante casquillos partidos (b).


ensayo de tracción

Los cierres en las máquinas se

diseñan de tal manera que

excluyan la inclinación de la

probeta y garanticen, dentro de

lo posible, la transmisión central

del esfuerzo sin flexión

suplementaria.


ensayo de tracción

En los ensayos a

compresión la

probeta

cilíndrica se

coloca

libremente entre

las losas

paralelas.


ensayo de tracción

El propósito principal de los ensayos a tracción y compresión consiste en la construcción de los diagramas de tracción y compresión, o sea, la dependencia entre la fuerza que actúa sobre la probeta y su alargamiento.

En la máquina de palanca la fuerza se mide, o por el ángulo de inclinación del péndulo, o por la posición del peso que equilibra.

En la máquina hidráulica, la magnitud de la fuerza se establece por la escala del manómetro graduada debidamente.


ensayo de tracción

Para la medición a grosso modo de

los alargamientos se usan

dispositivos simples (a menudo de

palanca) que fijan el desplazamiento

mutuo de los cierres de la máquina.

Este desplazamiento en el caso de

alargamientos grandes se puede

igualar al alargamiento de la probeta.


ensayo de tracción

Para la medición exacta de pequeños

alargamientos se emplean aparatos

especiales denominados tensómetros.

Este dispositivo se establece

directamente sobre la probeta para

fijar el desplazamiento mutuo de dos

secciones de la parte de trabajo de la

probeta.


ensayo de tracción

La máquina de ensayo moderna generalmente está

provista de un dispositivo para obtener

automáticamente el diagrama de tracción-

compresión.


ensayo de tracción

Esto permite, una vez realizado el

ensayo, obtener en cierta escala la curva P =

f(Δl).

Equipos de Laboratorio

Aditamentos

Compresión de cilindros de

Concreto

Flexión de Viguetas de

Concreto

Flexión de Maderas

Tensión de Varillas

Corte en Maderas

FIN…

Ensayo de tracción y compresión

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