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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.

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- 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 lΔ lΔ A0 A0 0l 0l

σ F F màxσ

flσ

pσ E

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ε totε

Diagrama de Esfuerzo v/s Deformación

Del diagrama σ 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 máxσ

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• 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 flσ

• Ductilidad: es la capacidad que tiene el material de deformarse hasta la ruptura. Se

visualiza a través de totε

• 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

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.

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σ E σmáx ε

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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 σ % E 120 D

80 Z

A C

40 ε B

ε 0 2 4 6 8 10 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, 065,5 S⋅ 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

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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 50125 60 rmín 4

Ø10 12 18 15 10 50 10 15

120

Probeta de ensayo de Tracción E a x b x l0 DIN 50125 l0+b rmín 35 b 1,2b+3 a 2b+10 l0 = 065,5 A 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.

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σmáx 36 σmáx 70

daN/mm2 35

34 60

33

32 50

31

30 40

29 ε

28 v (mm/min)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

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

σ ε daN/mm2 % 60

50 σmáx

40 ε 50

30 σel 40

20 30

10 20

0 T ºC

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Efectos de la temperatura de la probeta

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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.

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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.

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τ umbral de falla en cortadura máxτ máxτ

x y 2 1 σ σy umbral de falla en cortadura planos de falla por cortadura Falla de material dúctil Círculo de Mohr para tracción τ plano de falla por tracción x y σ

2 2 1

σy umbral de falla en tracción Falla de material frágil Círculo de Mohr para tracción

Planos de falla en ensayo de tracción