Un ensayo de tensión es una prueba experimental que se lleva a cabo sobre una muestra de material para determinar cuánto resiste los esfuerzos de tensión. Gracias a ella se pueden conocer muchas de las propiedades mecánicas del material y determinar si es apropiado para un diseño particular.
La muestra normalmente es un cilindro llamado probeta. Esta se somete a una tensión, consistente en aplicar dos fuerzas opuestas en los extremos que estiran la barra y la deforman. El ensayo prosigue ejerciendo esfuerzos cada vez mayores, hasta que la probeta finalmente se rompa.
Se toma nota de la magnitud de las fuerzas y de la deformación que producen en la probeta, desde fuerzas pequeñas que no causan deformación permanente, hasta la tensión que causa la rotura de la pieza.
Allí finaliza la toma de datos y se procede a elaborar una gráfica de esfuerzo-deformación, que servirá para analizar el comportamiento de materiales como metales, cerámicas, cemento, madera y polímeros.
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¿Qué se utiliza para el experimento del ensayo de tensión?
El experimento se hace mediante máquinas especiales como la que se muestra en la figura 1, las cuales proveen el esfuerzo necesario para cargar y luego descargar el material para evaluar la deformación.
En cuanto a la probeta, se trata de un tubo con sección transversal constante, de forma cilíndrica, rectangular o cuadrada, cuyas dimensiones están estandarizadas. Los extremos son más anchos para facilitar la sujeción al portamuestras, como se ve en la figura 2 izquierda.
La longitud inicial Lo se mide y se marca la región calibrada sobre el tubo de la probeta. Luego se la sujeta mediante mordazas a la máquina de prueba y esta da comienzo.
Propiedades y datos que se obtienen
Los materiales tienen diversos comportamientos ante la tensión, mostrados en la siguiente gráfica para la cual se empleó acero. Los esfuerzos aplicados en el eje vertical se denotan mediante la letra griega σ y la deformación unitaria en el eje horizontal, llamada ε.
La deformación unitaria no tiene dimensiones, ya que es el cociente entre el cambio de longitud de la probeta ΔL = Lf – Lo y la longitud inicial. Así:
ε = ΔL / Lo
Por su parte, la magnitud del esfuerzo σ es la razón fuerza/área de sección transversal.
En la gráfica se distinguen dos regiones importantes: zona elástica y zona plástica.
Zona elástica
Cuando el esfuerzo de tensión σ es pequeño, la deformación es proporcional, lo que se conoce como ley de Hooke:
σ = Y ε
Una vez que el esfuerzo cesa, el cuerpo regresa a sus dimensiones originales. Esta es la región elástica en color de la figura 3, que se extiende hasta el punto llamado límite de proporcionalidad. Hasta allí el material obedece la ley de Hooke.
La constante de proporcionalidad Y es el módulo de Young, característico del material y que puede ser determinado a partir de ensayos de tensión y de compresión.
El módulo de Young tiene unidades de presión, en el sistema internacional [Y]= N / m^2 = Pa. La deformación unitaria, es como ya se ha dicho, adimensional, por lo tanto el esfuerzo σ tiene también dimensiones de fuerza por unidad de sección transversal de área y en el SI su unidad será el pascal: [σ] = N/ m^2 = Pa.
Desde el límite de proporcionalidad y aumentando el esfuerzo se avanza en una región donde la deformación es reversible pero no obedece la ley de Hooke. Finaliza en el punto a partir del cual el cuerpo queda deformado permanentemente, llamado límite elástico.
Zona plástica
Seguidamente el material entra en la región de comportamiento plástico. Sobrepasada la zona de comportamiento elástico, el acero entra en la región del esfuerzo de cedencia o fluencia, en la cual la probeta se deforma pero no se rompe, si bien el esfuerzo se mantiene constante en σY.
Superada la zona de cedencia la deformación aumenta con el esfuerzo aplicado, pero ya no de manera lineal.
El material experimenta cambios a nivel molecular y se produce un endurecimiento por deformación. Por ello vemos que se necesitan esfuerzos cada vez mayores para lograr una deformación.
El límite de esta zona está en el esfuerzo último. El material se considera roto en este punto, aunque aún la probeta sigue de una pieza. A partir de allí la carga necesaria para producir deformación se reduce y la probeta se va adelgazando progresivamente (estricción) hasta que por fin se fractura (figura 2, derecha).
A esta curva y sus regiones se le denomina esfuerzo de fractura convencional. Pero encima de ella hay una curva discontinua, llamada esfuerzo de fractura verdadero, que se obtiene registrando la longitud instantánea o verdadera de la probeta, en vez de trabajar con la longitud original para encontrar la deformación unitaria, como se explicó al comienzo.
Ambas curvas, la verdadera y la convencional, coinciden en la zona de esfuerzos pequeños hasta la zona de cedencia. De todas formas, está previsto que el material funcione en el rango elástico para evitar deformaciones permanentes que impidan el buen funcionamiento de la pieza fabricada.
Así que entre los datos más importantes que se obtienen del ensayo están el esfuerzo σY que define el límite elástico.
Ejemplos de ensayos de tensión
El material que se usó como modelo en la descripción anterior es el acero, cuyo uso está ampliamente extendido en construcción e industria. Pero hay muchos materiales como concreto, hormigón, diversos metales, aleaciones y madera, que también se emplean extensivamente.
Cada uno tiene una curva esfuerzo-deformación que le es característica, y según su respuesta a la tensión o tracción, se clasifican en dos categorías: frágiles o dúctiles.
Materiales frágiles y dúctiles
En la siguiente gráfica σ versus ε (stress-strain) se comparan los materiales frágiles (brittle) y dúctiles (dúctiles), aunque es preciso aclarar que un mismo material puede tener una u otra respuesta dependiendo de factores tales como la temperatura. A bajas temperaturas los materiales tienden a ser frágiles.
La diferencia notable entre ambos es que el material frágil carece de la región de cedencia o tiene una muy pequeña. Apenas sobrepasa el límite elástico la probeta se rompe. En cambio los materiales dúctiles absorben más energía antes de romperse, porque tienen una extensa zona plástica.
El ensayo de tensión es útil para clasificar al material, siendo preferible según la aplicación el uso de materiales dúctiles, puesto que absorben más energía y son capaces de deformarse mucho antes de fracturarse.
También hay que hacer notar que si bien algunos materiales son frágiles ante la tensión, puede que resistan mejor otros esfuerzos, como veremos a continuación.
Respuesta de diversos materiales al ensayo de tensión
–Hierro fundido gris: frágil en tensión, más resistente en compresión.
–Bronce: dúctil.
–Concreto: frágil dependiendo del tipo de mezcla, pero muy resistente en compresión. Cuando se va a someter a tensión requiere reforzamiento mediante barras de acero.
–Madera: según el origen, es moderadamente dúctil.
–Acero: frágil cuando tiene alto contenido de carbono.
–Metacrilato: dúctil al aumentar la temperatura.
Referencias
- Beer, F. 2010. Mecánica de materiales. McGraw Hill. 5ta. Edición.
- Cavazos, J.L. Mecánica de materiales. Recuperado de: youtube.com.
- Hibbeler, R. 2011. Mecánica de materiales. Octava edición. Pearson.
- Collins, D. Linear Motion Tips. Mechanical properties of materials: Stress and strain. Recuperado de: linearmotiontips.com.
- Valera Negrete, J. 2005. Apuntes de Física General. UNAM.
- Wikipedia. Ensayo de tracción. Recuperado de: es.wikipedia.org.