La prueba de tracción , también conocida como prueba de tensión , [1] es una prueba fundamental de la ciencia e ingeniería de materiales en la que una muestra se somete a una tensión controlada hasta que falla. Las propiedades que se miden directamente a través de una prueba de tracción son la resistencia máxima a la tracción , la resistencia a la rotura , el alargamiento máximo y la reducción de área. [2] A partir de estas mediciones, también se pueden determinar las siguientes propiedades: módulo de Young , coeficiente de Poisson , límite elástico y características de endurecimiento por deformación . [3] La prueba de tracción uniaxial es la más utilizada para obtener las características mecánicas de los materiales isótropos . Algunos materiales utilizan pruebas de tracción biaxial . La principal diferencia entre estas máquinas de prueba es cómo se aplica la carga a los materiales.
Las pruebas de tracción pueden tener una variedad de propósitos, tales como:
La preparación de las muestras de prueba depende de los propósitos de la prueba y del método de prueba o especificación que rija . Una muestra de tracción generalmente tiene una sección transversal de muestra estandarizada. Tiene dos hombros y una sección de calibración en el medio. Los hombros y la sección de agarre son generalmente un 33% más grandes que la sección de calibración [4] para que se puedan agarrar fácilmente. El diámetro más pequeño de la sección de calibración también permite que se produzcan deformaciones y fallas en esta área. [2] [5]
Los hombros de la muestra de prueba se pueden fabricar de diversas maneras para acoplarse a varias mordazas en la máquina de prueba (ver la imagen a continuación). Cada sistema tiene ventajas y desventajas; por ejemplo, los hombros diseñados para mordazas dentadas son fáciles y económicos de fabricar, pero la alineación de la muestra depende de la habilidad del técnico. Por otro lado, una mordaza con pasadores asegura una buena alineación. Los hombros y mordazas roscados también aseguran una buena alineación, pero el técnico debe saber enroscar cada hombro en la mordaza al menos una longitud de un diámetro, de lo contrario las roscas pueden desgastarse antes de que la muestra se fracture. [6]
En piezas de fundición y forjado de gran tamaño es habitual añadir material adicional, que está diseñado para ser retirado de la pieza de fundición de modo que se puedan fabricar muestras de prueba a partir de él. Estas muestras pueden no ser una representación exacta de toda la pieza de trabajo porque la estructura del grano puede ser diferente en todas partes. En piezas de trabajo más pequeñas o cuando se deben probar partes críticas de la pieza de fundición, se puede sacrificar una pieza de trabajo para hacer las muestras de prueba. [7] Para piezas de trabajo que se mecanizan a partir de material en barra , la muestra de prueba se puede hacer a partir de la misma pieza que la barra.
En el caso de materiales blandos y porosos, como los no tejidos electrohilados hechos de nanofibras, la muestra suele ser una tira de muestra sostenida por un marco de papel para favorecer su montaje en la máquina y evitar dañar la membrana. [8] [9]
La repetibilidad de una máquina de pruebas se puede determinar utilizando muestras de prueba especiales fabricadas meticulosamente para que sean lo más similares posible. [7]
Se prepara una muestra estándar en una sección circular o cuadrada a lo largo de la longitud de calibración, según el estándar utilizado. Ambos extremos de las muestras deben tener una longitud suficiente y una condición de superficie tal que se puedan sujetar firmemente durante la prueba. La longitud de calibración inicial Lo está estandarizada (en varios países) y varía con el diámetro (Do) o el área de la sección transversal (Ao) de la muestra, como se indica
Las siguientes tablas dan ejemplos de dimensiones y tolerancias de probetas de prueba según la norma ASTM E8.
Las pruebas de tracción se realizan con mayor frecuencia en un laboratorio de pruebas de materiales. El protocolo ASTM D638 es uno de los más comunes. El ASTM D638 mide las propiedades de tracción de los plásticos, incluida la resistencia a la tracción máxima, el límite elástico, la elongación y el coeficiente de Poisson.
La máquina de prueba más común que se utiliza en las pruebas de tracción es la máquina de prueba universal . Este tipo de máquina tiene dos cabezales transversales ; uno se ajusta a la longitud de la muestra y el otro se acciona para aplicar tensión a la muestra de prueba. Las máquinas de prueba son electromecánicas o hidráulicas . [5]
La máquina electromecánica utiliza un motor eléctrico, un sistema de reducción de engranajes y uno, dos o cuatro tornillos para mover el cabezal transversal hacia arriba o hacia abajo. Se puede lograr una variedad de velocidades del cabezal transversal cambiando la velocidad del motor. La velocidad del cabezal transversal y, en consecuencia, la tasa de carga, se pueden controlar mediante un microprocesador en el servocontrolador de bucle cerrado. Una máquina de prueba hidráulica utiliza un pistón de acción simple o doble para mover el cabezal transversal hacia arriba o hacia abajo. También hay disponibles sistemas de prueba operados manualmente. Las configuraciones manuales requieren que el operador ajuste una válvula de aguja para controlar la tasa de carga. Una comparación general muestra que la máquina electromecánica es capaz de una amplia gama de velocidades de prueba y desplazamientos largos del cabezal transversal, mientras que la máquina hidráulica es una solución rentable para generar fuerzas elevadas. [11]
La máquina debe tener las capacidades adecuadas para la muestra de prueba que se está probando. Hay cuatro parámetros principales: capacidad de fuerza, velocidad, precisión y exactitud . La capacidad de fuerza se refiere al hecho de que la máquina debe ser capaz de generar suficiente fuerza para fracturar la muestra. La máquina debe ser capaz de aplicar la fuerza con la rapidez o lentitud suficiente para imitar adecuadamente la aplicación real. Por último, la máquina debe ser capaz de medir con precisión y exactitud la longitud del calibre y las fuerzas aplicadas; por ejemplo, una máquina grande que está diseñada para medir elongaciones largas puede no funcionar con un material frágil que experimenta elongaciones cortas antes de fracturarse. [6]
La alineación de la muestra de prueba en la máquina de prueba es fundamental, porque si la muestra está desalineada, ya sea en ángulo o desplazada hacia un lado, la máquina ejercerá una fuerza de flexión sobre la muestra. Esto es especialmente malo para materiales frágiles , porque distorsionará drásticamente los resultados. Esta situación se puede minimizar utilizando asientos esféricos o juntas en U entre las mordazas y la máquina de prueba. [6] Si la parte inicial de la curva de tensión-deformación es curva y no lineal, indica que la muestra está desalineada en la máquina de prueba. [12]
Las mediciones de deformación se miden más comúnmente con un extensómetro , pero los extensómetros también se utilizan con frecuencia en muestras de prueba pequeñas o cuando se mide el coeficiente de Poisson . [6] Las máquinas de prueba más nuevas tienen sistemas digitales de medición de tiempo, fuerza y alargamiento que consisten en sensores electrónicos conectados a un dispositivo de recolección de datos (a menudo una computadora) y software para manipular y generar los datos. Sin embargo, las máquinas analógicas continúan cumpliendo y superando los requisitos de precisión de pruebas de tracción de metales de ASTM, NIST y ASM, y continúan utilizándose en la actualidad. [ cita requerida ]
El proceso de prueba implica colocar la muestra de prueba en la máquina de prueba y extenderla lentamente hasta que se fracture. Durante este proceso, se registra el alargamiento de la sección de calibración en función de la fuerza aplicada. Los datos se manipulan de modo que no sean específicos de la geometría de la muestra de prueba. La medición del alargamiento se utiliza para calcular la deformación de ingeniería , ε , utilizando la siguiente ecuación: [5]
donde Δ L es el cambio en la longitud calibrada, L 0 es la longitud calibrada inicial y L es la longitud final. La medición de fuerza se utiliza para calcular la tensión de ingeniería , σ, utilizando la siguiente ecuación: [5]
donde F es la fuerza de tracción y A es la sección transversal nominal de la muestra. La máquina realiza estos cálculos a medida que aumenta la fuerza, de modo que los puntos de datos se pueden representar gráficamente en una curva de tensión-deformación . [5]
Cuando se trabaja con materiales porosos y blandos, como las membranas nanofibrosas electrohiladas, la aplicación de la fórmula de tensión anterior es problemática. El espesor de la membrana, de hecho, depende de la presión aplicada durante su medición, lo que da lugar a valores de espesor variables. Como consecuencia, las curvas de tensión-deformación obtenidas muestran una alta variabilidad. En este caso, se recomienda la normalización de la carga con respecto a la masa de la muestra en lugar del área de la sección transversal (A) para obtener resultados de tracción fiables. [13]
Las pruebas de tracción se pueden utilizar para probar la fluencia en materiales, una deformación plástica lenta del material a partir de tensiones constantes aplicadas durante períodos prolongados de tiempo. La fluencia generalmente se ve favorecida por el movimiento de difusión y dislocación. Si bien existen muchas formas de probar la fluencia, las pruebas de tracción son útiles para materiales como el hormigón y la cerámica que se comportan de manera diferente en tensión y compresión y, por lo tanto, poseen diferentes tasas de fluencia por tracción y compresión. Como tal, comprender la fluencia por tracción es importante en el diseño de hormigón para estructuras que experimentan tensión, como contenedores que contienen agua, o para la integridad estructural general. [14]
Las pruebas de tracción de fluencia generalmente siguen el mismo proceso de prueba que las pruebas estándar, aunque generalmente con tensiones más bajas para permanecer en el dominio de la fluencia en lugar de la deformación plástica. Además, el equipo especializado para pruebas de fluencia por tracción puede incluir componentes de horno de alta temperatura incorporados para ayudar a la difusión. [15] La muestra se mantiene a temperatura y tensión constantes, y la tensión en el material se mide utilizando medidores de tensión o medidores láser. La tensión medida se puede ajustar con ecuaciones que rigen diferentes mecanismos de fluencia, como la fluencia por ley de potencia o la fluencia por difusión (consulte fluencia para obtener más información). Se pueden obtener más análisis al examinar la muestra después de la fractura. Comprender el mecanismo y la velocidad de fluencia puede ayudar a la selección y el diseño de materiales.
Es importante tener en cuenta que la alineación de la muestra es importante para la prueba de tracción por fluencia. Una carga descentrada dará como resultado una tensión de flexión aplicada a la muestra. La flexión se puede medir rastreando la deformación en todos los lados de la muestra. El porcentaje de flexión se puede definir como la diferencia entre la deformación en una cara ( ) y la deformación promedio ( ): [16]
El porcentaje de flexión debe ser inferior al 1 % en la cara más ancha de las muestras cargadas y al 2 % en la cara más delgada. La flexión puede ser causada por una desalineación en la abrazadera de carga y un mecanizado asimétrico de las muestras. [16]
