Base Teórica del Ensayo de Tracción

Transcripción

1 Base Teórica del Ensayo de Tracción El ensayo de tracción es un ensayo destructivo donde una probeta, normalizada o de elemento estructural de dimensiones y formas comerciales, es sometida a la acción de una carga axial y creciente, que luego de sobrepasar las cargas elástica y máxima, llega finalmente a la ruptura. El ensayo de tracción se realiza en una máquina de ensayos especial, que tiene la posibilidad de aplicar la carga gradual y controladamente, indicando su valor constantemente. Por otro lado, también entrega simultáneamente información del desplazamiento que experimenta el puente de carga, o el extensómetro instalado en la probeta. Con esos antecedentes, la máquina entrega el diagrama carga v/s deplazamineto, que es proporcional al diagrama esfuerzo v/s deformación requerido. La mayoría de los materiales dúctiles presentan dos zonas perfectamente definidas: - La primera con una relación casi lineal entre la carga y la deformación, manteniendo una pendiente aparentemente constante. En esa zona la deformación es elástica, vale decir que si se detiene el ensayo y se retira la carga, la probeta recupera sus formas y dimensiones originales. El alargamiento y la reducción de área se producen en toda la zona calibrada Pero ese comportamiento tiene su límite, porque se alcanza un punto, que es característico para cada material, donde a iguales incrementos de carga comienzan a aumentar los incrementos de deformación. Ese punto límite es el límite elástico del material. - En la segunda zona el material disminuye gradualmente su rigidez (pendiente), pero es capaz de soportar incrementos de esfuerzos debido al endurecimiento por deformación. Si se detiene el ensayo y se retira la carga, la probeta quedará con deformación permanente. El material está en su zona de deformación plástica. La carga y el esfuerzo alcanzan un valor máximo, con pendiente cero, es la resistencia a la tracción. Después de sobrepasar el máximo, la carga comienza a descender y se empieza a vislumbrar la estricción de área y alargamiento localizado en un punto de la zona calibrada, hasta que finalmente se produce la ruptura. 1

2 - En algunos materiales como el acero de bajo porcentaje de carbono, se observa entre la zona elástica y la plástica una zona donde, sobrepasado el límite elástico, el material se deforma sin incrementar el esfuerzo. El material está fluyendo, está en la zona de fluencia. Terminado este fenómeno, nuevamente el material es capaz de incrementar su capacidad de resistir esfuerzos debido al endurecimiento por deformación. F F Δ l Δ l A 0 l 0 A 0 l 0 màx F F fl p E 1 ε tot ε Diagrama de Esfuerzo v/s Deformación Del diagrama v/s ε se obtienen las principales propiedades mecánicas del material: Resistencia a la tracción: es el esfuerzo máximo que es capaz de soportar un material, antes de romperse- Corresponde a máx 2

3 Límite de Proporcionalidad: es el esfuerzo máximo hasta donde la correspondencia entre esfuerzo y deformación es lineal. Esfuerzo hasta donde es válida la Ley de Hooke. Límite de fluencia: es el esfuerzo donde el material comienza a ceder, se deforma sin variar mayormente el esfuerzo. Corresponde a Ductilidad: es la capacidad que tiene el material de deformarse hasta la ruptura. Se visualiza a través de ε tot Rigidez: es la capacidad de oponer resistencia a la deformación. Se visualiza a través de la pendiente E Tenacidad: es la capacidad de absorber energía de deformación por unidad de volumen fl antes de romperse. Se manifiesta por el área encerrada bajo la curva. Resiliencia: es la capacidad de absorber energía de deformación elástica. Fragilidad: es la incapacidad de un material de deformarse plásticamente. Zona elástica: es el comportamiento de un material de volver a tener sus formas y dimensiones originales, después de retirada la carga. Esto ocurre hasta el límite de fluencia. Zona plástica: es la zona donde el material queda con deformación permanente. Punto de ruptura: es aquel donde el material falla por ruptura Los materiales frágiles presentan un comportamiento diferente: Se observa una zona elástica, donde en el caso de la fundición gris, la relación entre el esfuerzo y la deformación no es lineal, sino que levemente parabólica. En este caso no existe la zona de fluencia, el límite elástico debe determinarse convencionalmente, como el esfuerzo que produce una deformación permanente de 0,2 %. La diferencia entre el límite elástico y la resistencia a la tracción es mínima, prácticamente no existe la zona plástica, pues el material se rompe abruptamente, casi sin experimentar deformación plástica. Por ese mismo motivo, no se observa estricción de área, y el alargamiento es mínimo. La fractura se presenta en forma plana en la sección transversal, falla en el plano de tracción máxima, por lo mismo la textura es rugosa o granular, evidenciando desgarramiento por tracción. 3

4 E máx ε 4

5 Normalización del ensayo Para que los resultados del ensayo de tracción obtenidos en cualquier laboratorio sean comparables es necesario que los factores que inciden en ellos se mantengan constantes; es decir, los ensayos se ejecuten en las mismas condiciones. Por este motivo, se ha normalizado los factores controlables que influyen en los valores que se obtienen del ensayo de tracción: la forma (dimensiones, proporciones y acabado superficial de la probeta), la temperatura y la velocidad de carga. Efectos de las formas y proporciones de la probeta Las probetas pueden ser cilíndricas o prismáticas, de sección constante dentro de los límites en que se efectúan las mediciones. También se ensayan piezas y estructuras de máquinas manufacturadas, por ejemplo: alambres, cables, barras de construcción, cadenas, tubos, cáñamo, papel, telas y otros. La mayoría de los cuales están normalizados. Tiene gran influencia en los valores de resistencia y ductilidad obtenidos la relación largo/diámetro (l/d) de las probetas cilíndricas. ε Z % E 120 D 80 Z A C 40 ε B l/d A: 3 B: 2 C: 1 D: <1 E: 0 Por los motivos inferidos de las tendencias anteriores la proporción entre el largo entre marcas y la sección transversal se normaliza de tal forma que equivalga a 5 veces el diámetro, para la probeta cilíndrica, 5,65 S0 para las probetas de sección rectangular. La forma contempla una zona calibrada, donde se estudiará los efectos producidos por la tracción; con dos cabezas de mayor sección, desde donde se tomará la probeta para ε 5

6 aplicarle la carga; con una reducción suave del área, desde la zona calibrada hacia las cabezas, para evitar la concentración de esfuerzos; Probeta de ensayo de Tracción C 10 x 50 DIN r mín 4 60 Ø Probeta de ensayo de Tracción E a x b x l 0 DIN l 0 +b r mín 35 b 1,2b+3 a 2b+10 l 0 = 5,65 A 0 2b+10 Velocidad Según la velocidad con que se realice el ensayo, éste se puede clasificar en: 1. Impacto: la carga se aplica violentamente 2. Estático: la carga se aplica lentamente 3. Larga duración: generalmente con alta temperatura (creep) 4. Cíclico: fatiga por tracción Para que el ensayo sea considerado estático, la velocidad de carga no debe exceder al incremento del 5% del largo entre marcas por minuto, para el rango elástico (incremento de la carga en 10 MPa/min); 40 % del largo entre marcas por minutos, para el plástico. Se debe pasar de una zona a otra con una velocidad gradualmente progresiva, evitando los cambios bruscos. 6

7 máx 36 máx 70 dan/mm ε 28 v (mm/min) Efectos de la velocidad de la carga Temperatura La temperatura tiene gran influencia, especialmente sobre el límite elástico El ensayo, según Norma se debe realizar a 293 ºK ± 2 ºK (20 ºC ± 2 ºC) El comportamiento de un acero al carbono según la temperatura se muestra en el diagrama. Para ensayos a otras temperaturas se debe seguir las prescripciones dadas por las Normas ISO/R 205 e ISO/R 783 dan/mm 2 % ε máx 40 ε el T ºC Efectos de la temperatura de la probeta 7

8 La Falla La falla por rotura se presenta de diferentes maneras, conforme se trate de un material de naturaleza dúctil o frágil, produciéndose las roturas dúctiles y frágiles, respectivamente. Falla dúctil El material dúctil (cobre, aluminio, acero, bronce, latón) falla por esfuerzo cortante. Esta rotura se identifica por: - Elevado alargamiento y estricción de área. - Fractura en 45º respecto al plano normal a la carga - Gran diferencia entre el límite de fluencia y la resistencia a la tracción - Textura sedosa en el plano inclinado. - Fase de rotura de larga duración Este tipo de rotura se produce por deformación plástica, con el consiguiente deslizamiento de cristales (cortadura) según planos orientados en 45º respecto del plano normal a la aplicación de la carga. Falla frágil Los materiales frágiles, como la fundición gris, fallan por esfuerzo normal de tracción, en el plano de tracción máxima. Esta falla se identifica por: - Poco o nulos alargamiento y estricción. - Fractura en el plano normal a la dirección de la carga. - Muy poca diferencia entre el límite de fluencia y la resistencia a la tracción. - Textura de falla fibrosa o granular producida por desgarramiento. - Fase de rotura muy breve. Este tipo de rotura se produce por descohesión o desgarramiento de los planos de contacto de los cristales, formándose una fisura en un plano orientado normal a la fuerza aplicada. La fractura frágil se produce por microfisuración, crecimiento de la microfisura y propagación rápida y espontánea de la misma Factores que inciden en la generación de rotura dúctil o frágil: - La temperatura. - Velocidad de aplicación de la carga. - Distribución interna de las tensiones. - La estructura cristalina. - La composición química. 8

9 La temperatura: En los aceros al carbono y en los aceros de baja aleación, al descender la temperatura por debajo de cero grado, aumenta el límite de elasticidad acercándose a la resistencia a la tracción, reduciéndose la fase de deformación plástica; favoreciendo con esto la rotura frágil. La distribución delas tensiones internas: Las tensiones internas pluriaxiales, esfuerzos concentrados y localizados, favorecen la rotura frágil. Estructura cristalina: Los elementos de estructura cristalina de granos gruesos están más expuestos a la rotura frágil, por la mayor facilidad de propagación de la fisura inicial. Composición química: En los aceros al carbono o de baja aleación los elementos constituyentes tienen gran incidencia en el tipo de rotura: Favorecen la rotura frágil: aumento del contenido de carbono, aumento del contenido de silicio, presencia de gases disueltos en el metal (N, H, O), las impurezas (S y P). Reducen la fragilidad: Mn, debido a su naturaleza y a su acción desoxidante y desulfurante; Ni, afina el grano y tiene una acción ligante; Al, afina elgrano y tiene una acción desoxidante. 9

10 τ umbral de falla en cortadura τ máx τ máx x y 2 1 y planos de falla por cortadura umbral de falla en cortadura Falla de material dúctil Círculo de Mohr para tracción τ plano de falla por tracción x y y umbral de falla en tracción Falla de material frágil Círculo de Mohr para tracción Planos de falla en ensayo de tracción 10