La prueba de tracción , también conocida como prueba de tensión , [1] es una prueba fundamental de 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 mediante una prueba de tracción son la resistencia máxima a la tracción , la resistencia a la rotura , el alargamiento máximo y la reducción del área. [2] A partir de estas mediciones también se pueden determinar las siguientes propiedades: módulo de Young , relación de Poisson , límite elástico y características de endurecimiento por deformación . [3] El ensayo de tracción uniaxial es el más utilizado para obtener las características mecánicas de materiales isotrópicos . Algunos materiales utilizan pruebas de tracción biaxiales . La principal diferencia entre estas máquinas de prueba es cómo se aplica la carga a los materiales.
Las pruebas de tracción pueden tener diversos propósitos, tales como:
La preparación de las muestras de prueba depende de los propósitos de la prueba y del método o especificación de prueba vigente . Una muestra de tracción suele tener una sección transversal de muestra estandarizada. Tiene dos hombros y una trocha (sección) en el medio. Los hombros y la sección de agarre son generalmente un 33 % más grandes que la sección de calibre [4], por lo que se pueden agarrar fácilmente. El diámetro más pequeño de la sección de calibre también permite que se produzcan deformaciones y fallas en esta área. [2] [5]
Los hombros de la muestra de prueba se pueden fabricar de varias maneras para acoplarse a varios agarres en la máquina de prueba (consulte la imagen a continuación). Cada sistema tiene ventajas y desventajas; por ejemplo, los hombros diseñados para empuñaduras dentadas son fáciles y económicos de fabricar, pero la alineación de la muestra depende de la habilidad del técnico. Por otro lado, una empuñadura fijada 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 a lo largo de un diámetro, de lo contrario las roscas pueden desprenderse antes de que la muestra se fracture. [6]
En piezas fundidas y forjadas de gran tamaño , es común agregar material adicional, que está diseñado para retirarse de la pieza fundida y poder fabricar muestras de prueba a partir de ella. Es posible que estas muestras no sean 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 fundida, se puede sacrificar una pieza de trabajo para fabricar las muestras de prueba. [7] Para piezas de trabajo mecanizadas a partir de barras , la muestra de prueba se puede fabricar a partir de la misma pieza que la barra.
Para 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 daños a la membrana. [8] [9]
La repetibilidad de una máquina de ensayo se puede determinar utilizando muestras de ensayo especiales fabricadas meticulosamente para que sean lo más similares posible. [7]
Se prepara una muestra estándar en una sección redonda o cuadrada a lo largo de la longitud del calibre, dependiendo del estándar utilizado. Ambos extremos de las muestras deben tener suficiente longitud y una condición superficial tal que puedan sujetarse firmemente durante la prueba. La longitud de calibre 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 brindan ejemplos de dimensiones y tolerancias de las muestras de prueba según la norma ASTM E8.
Las pruebas de tracción se llevan a cabo con mayor frecuencia en un laboratorio de pruebas de materiales. El ASTM D638 se encuentra entre los protocolos de pruebas de tracción más comunes. La norma ASTM D638 mide las propiedades de tracción de los plásticos, incluida la resistencia máxima a la tracción, el límite elástico, el alargamiento y el índice de Poisson.
La máquina de ensayo más común utilizada en ensayos de tracción es la máquina de ensayo universal . Este tipo de máquina tiene dos crucetas ; uno se ajusta a la longitud de la muestra y el otro se impulsa 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 reductor de engranajes y uno, dos o cuatro tornillos para mover la cruceta hacia arriba o hacia abajo. Se puede lograr una variedad de velocidades de cruceta cambiando la velocidad del motor. La velocidad de la cruceta y, en consecuencia, la tasa de carga, pueden controlarse mediante un microprocesador en el servocontrolador. Una máquina de prueba hidráulica utiliza un pistón de acción simple o doble para mover la cruceta hacia arriba o hacia abajo. También se encuentran 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 realizar una amplia gama de velocidades de prueba y desplazamientos largos de la cruceta, 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 poder generar suficiente fuerza para fracturar la muestra. La máquina debe poder aplicar la fuerza lo suficientemente rápida o lentamente para imitar adecuadamente la aplicación real. Finalmente, la máquina debe poder medir con exactitud y precisión la longitud del calibre y las fuerzas aplicadas; por ejemplo, una máquina grande diseñada para medir alargamientos largos puede no funcionar con un material frágil que experimente alargamientos cortos antes de fracturarse. [6]
La alineación de la muestra de prueba en la máquina de prueba es crítica, 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 quebradizos , porque distorsionará dramáticamente los resultados. Esta situación se puede minimizar utilizando asientos esféricos o juntas universales entre las empuñaduras y la máquina de prueba. [6] Si la porción inicial de la curva 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 las galgas extensométricas también se usan con frecuencia en muestras de prueba pequeñas o cuando se mide la relación 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 siguen cumpliendo y superando los requisitos de precisión de las pruebas de tracción de metales de ASTM, NIST y ASM y siguen utilizándose en la actualidad. [ cita necesaria ]
El proceso de prueba implica colocar la muestra de prueba en la máquina de prueba y extenderla lentamente hasta que se rompa. Durante este proceso, se registra el alargamiento de la sección de calibre frente a la fuerza aplicada. Los datos se manipulan para 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 de calibre, L 0 es la longitud de calibre inicial y L es la longitud final. La medición de la fuerza se utiliza para calcular la tensión de ingeniería , σ, usando 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 puedan representar gráficamente en una curva tensión-deformación . [5]
Cuando se trata de materiales porosos y blandos, como membranas nanofibrosas electrohiladas, la aplicación de la fórmula de tensión anterior es problemática. De hecho, el espesor de la membrana depende de la presión aplicada durante su medición, lo que lleva a valores de espesor variables. Como consecuencia, las curvas 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 confiables. [13]
Las pruebas de tracción se pueden utilizar para probar la fluencia en materiales, una deformación plástica lenta del material debido a tensiones aplicadas constantes durante períodos prolongados de tiempo. La fluencia generalmente se ve favorecida por el movimiento de difusión y dislocación. Si bien hay muchas formas de probar la fluencia, las pruebas de tracción son útiles para materiales como el concreto y la cerámica que se comportan de manera diferente en tensión y compresión y, por lo tanto, poseen diferentes tasas de fluencia de tracción y compresión. Como tal, comprender la fluencia por tracción es importante en el diseño de concreto 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 fluencia en lugar de deformación plástica. Además, los equipos especializados de prueba de fluencia por tracción pueden incluir componentes incorporados del horno de alta temperatura para ayudar a la difusión. [15] La muestra se mantiene a temperatura y tensión constantes, y la deformación del material se mide utilizando galgas extensométricas o medidores láser. La deformación medida se puede equipar con ecuaciones que rigen diferentes mecanismos de fluencia, como la fluencia de la ley de potencia o la fluencia por difusión (consulte fluencia para obtener más información). Se pueden obtener análisis adicionales examinando la muestra después de la fractura. Comprender el mecanismo de fluencia y la velocidad puede ayudar en la selección y el diseño de materiales.
Es importante tener en cuenta que la alineación de la muestra es importante para las pruebas de tracción y fluencia. La carga descentrada dará como resultado que se aplique una tensión de flexión a la muestra. La flexión se puede medir siguiendo la tensión en todos los lados de la muestra. El porcentaje de flexión se puede definir entonces 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 inferior al 2% en la cara más delgada. La flexión puede deberse a una desalineación en la abrazadera de carga y al mecanizado asimétrico de las muestras. [dieciséis]
