Ensayo de tracción

El ensayo de tracción es la forma básica de obtener la información sobre el comportamiento mecánico de los materiales, más precisamente, la resistencia elástica, resistencia última y plasticidad del material cuando se somete a fuerzas uniaxiales.

El estudio del material en cuestión se realiza a partir de una máquina de ensayos que deforma una probeta normalizada de dicho material a estudiar aplicando la fuerza en el sentido del eje longitudinal de la muestra. A medida que se deforma la muestra, las lecturas de fuerza aplicada y desplazamiento se registran a partir de un ordenador conectado a los sensores instalados en la máquina de ensayos. De esta manera, el resultado inmediato que deriva de este ensayo mecánico es una curva de carga frente al alargamiento del metal.

La probeta a estudiar (Figura 1.11) se sujeta por sus extremos, especialmente modelados para ello, por medio de las mordazas de la máquina de ensayos. De manera que un extremo esté enganchado al cabezal móvil y el otro a la célula de carga. Estas fijaciones deben realizarse convenientemente para evitar las posibles tensiones de rotura en los puntos que puedan ocasionar y de esta manera restarle validez al ensayo. Para que el ensayo de tracción sea válido, ha de prolongarse hasta la rotura de la probeta y ésta debe originarse dentro de la zona que establece la longitud calibrada, en la parte central de la misma.

Seguidamente, la relación ilustrada de fuerza-desplazamiento, en función de la geometría inicial de la probeta estudiada, puede transformarse en tensión-deformación aportando una información acerca de las características mecánicas del material estudiado en el ensayo.

Figura 1.11. Probetas normalizadas para el ensayo de tracción (𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜≥4  𝑚𝑚  𝑜  𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟≥3  𝑚𝑚) • S0 : sección inicial en milímetros cuadrados (mm2).

• Su : sección final tras la rotura en milímetros cuadrados (mm2). • L0 : longitud inicial de la sección reducida en milímetros (mm). • Lu : longitud final tras la rotura en milímetros (mm).

• LC : longitud de la parte calibrada en milímetros (mm).

Sección rectangular Sección circular

La curva característica del ensayo de tensión que representa la tensión aplicada sobre la probeta en función de su deformación longitudinal presenta la forma siguiente (Figura 1.12):

Figura 1.12. Curva característica del ensayo de tracción.

En la curva se pueden distinguir dos regiones que se corresponden con dos comportamientos diferentes del elemento estudiado. En primer lugar se visualiza la zona elástica, que se asocia con la región de bajas deformaciones. Antes de que la tensión sobrepase el límite de proporcionalidad (𝜎!), el comportamiento de tensión-deformación es lineal cumpliéndose la Ley

de Hooke. Las deformaciones sufridas por el metal en esta zona son reversibles antes de que la tensión supere el valor del límite elástico (Re), es decir, el objeto deformado puede volver a su forma original cuando se suprimen los esfuerzos exteriores aplicados sobre él si no se supera el valor del límite elástico. Dentro de esta zona se pueden distinguir a su vez otras dos:

• Zona de proporcionalidad (OP): Corresponde con el inicio del ensayo de tracción, la deformación es proporcional a la tensión ejercida por la máquina.

• Zona no proporcional (PB): El material se comporta de forma elástica pero la relación tensión-deformación no es lineal.

En segundo lugar, una vez las tensiones aplicadas son superiores al límite de elasticidad del material estudiado, éste entra en la zona plástica. En esta región, el metal se deforma dando lugar a la aparición de micro-fisuras. Estas deformaciones sufridas son permanentes, es decir, el material no recupera su longitud original cuando cesen las tensiones aplicadas sobre él. Por ello,

  Re  

la geometría de la probeta se ve afectada disminuyendo su sección y aumentando su longitud a medida que progresa el ensayo de tensión. El porcentaje de alargamiento describe la deformación plástica permanente antes de la falla mientras que la reducción porcentual de la sección describe la cantidad de adelgazamiento que sufre la probeta durante el ensayo. En la zona plástica, existen también, al mismo tiempo, otras dos zonas:

• Zona de deformación plástica uniforme: Se consiguen grandes alargamientos con pequeños incrementos de tensión. Tras iniciarse la deformación plástica, la tensión necesaria para continuar con la deformación en los metales aumenta hasta alcanzar el punto R. Éste se corresponde con el límite de resistencia última a la tracción y es el valor máximo de tensión del diagrama tensión-deformación. La deformación experimentada por el metal hasta este punto es uniforme en la región estrecha de la probeta.

• Zona de rotura o de estricción (RU): Una vez alcanzado el valor de resistencia a la tracción, la tensión necesaria para deformar el metal disminuye. Estas deformaciones son localizadas y se empieza a formar una disminución de la sección transversal en algún punto de la probeta. Toda la deformación subsiguiente, está confinada en la estricción y la fractura ocurre en dicho punto. La tensión de fractura corresponde con el último valor de tensión registrado antes de que la probeta se rompa.

Finalmente, la región que se sitúa entre el comportamiento elástico y el plástico se denomina zona de fluencia, en ella se produce una pequeña deformación apreciable sin que varíe la tensión aplicada. Cabe destacar que el comportamiento registrado en esta curva varía en función del material estudiado.

A través de este tipo de ensayo mecánico se puede conocer directamente el comportamiento elástico y plástico de las bobinas de alambre que se emplean en la fabricación de resortes. La problemática surge cuando se ha de aplicar el ensayo sobre un trozo de alambre de cada bobina al no presentar estos la geometría propia de probeta normalizada. Por lo tanto, puesto que el interés de este estudio es desarrollar un método de caracterización mecánica aplicable a los alambres de manera directa, se debe plantear un ensayo mecánico distinto al de tracción, pero del que pueda derivarse la ley de deformación del alambre.