ENSAYOS DE TENSIÓN MANUFACTURAS

El ensayo de tensión es uno de los métodos más importantes para determinar las propiedades mecánicas, ya que consiste en someter a una probeta normalizada a una carga axial de tensión hasta que se produce la rotura ver figura 10. El objetivo del ensayo es determinar las propiedades mecánicas tales como la fuerza, módulo de elasticidad y el esfuerzo.

El ensayo de tensión es el más usado para estudiar la relación esfuerzo de formación, particularmente en los metales. En este ensayo se aplica una fuerza que jala el material tendiendo a elongarlo y a reducir su diámetro, tal como se ilustra en la figura 3.1(a). Las normas de la ASTM (American Society for Testing and Materials) especifican la preparación del espécimen de prueba y el procedimiento para el ensayo. El espécimen y montaje típicos del ensayo se ilustran en la figura 3.1(b) y (c) respectivamente. 

El espécimen de prueba inicial tiene una longitud original L0 y un área A0. La longitud se mide por la distancia entre las marcas de calibración; y el área, por la superficie de la sección transversal del espécimen. Durante el ensayo de un metal el material se estira, luego se forma una estricción (o cuello) y finalmente se fractura como se muestra en la figura 3.2. La carga y el cambio de longitud del espécimen se registran conforme avanza el ensayo, ambos datos son necesarios para determinar las relaciones esfuerzo-deformación. Hay dos tipos de curvas de esfuerzo contra deformación: 1) esfuerzo contra deformación ingenieril y 2) esfuerzo contra deformación real. La primera es más importante en diseño, y la segunda en manufactura. Esfuerzo-deformación ingenieriles 

El esfuerzo y la deformación ingenieriles en un ensayo de tensión se definen con respecto a la longitud y área originales del espécimen. Estos valores son de interés en diseño porque el diseñador espera que los esfuerzos experimentados por cualquier componente del producto no cambien significativamente su forma; por consiguiente, deben resistir los esfuerzos que encontrarán en el servicio.

En la figura 3.3 se muestra una curva de esfuerzo contra deformación ingenieril típica en un ensayo de un espécimen metálico. El esfuerzo ingenieril se define en cualquier punto de la curva como la fuerza dividida por el área original:

donde σe = esfuerzo ingenieril, lb/pulg2 (MPa); F = fuerza aplicada en el ensayo, lb (N); y A0 = área original del espécimen de prueba, pulg2 (mm2 ). La deformación ingenieril en cualquier punto del ensayo está dado por:

Donde e = deformación ingenieril, pulg/pulg (mm/mm), L = longitud en cualquier punto durante la elongación, pulg (mm); y L0 = longitud original de calibración, pulg (mm). Las unidades de la deformación ingenieril están dadas en pulg/pulg (mm/mm), pero podemos considerar que representa la elongación por unidad de longitud, sin unidades.

FIGURA 3.3 Gráfica esfuerzo contra deformación ingenieril típica en el ensayo de tensión de un metal. 

La relación esfuerzo-deformación de la figura 3.3 tiene dos regiones que indican dos formas distintas de comportamiento: 1) elástico y 2) plástico. En la región elástica, la relación entre esfuerzo y deformación es lineal, y el material exhibe un comportamiento elástico que recobra su longitud original cuando se libera la carga (esfuerzo). Esta relación se define por la Ley de Hooke:

σe = Ee

donde E = módulo de elasticidad, lb/pulg2 (MPa). E es una medida de la rigidez inherente del material, una constante de proporcionalidad cuyo valor es distinto para cada material.

Al incrementarse el esfuerzo, se alcanza un punto en la relación lineal donde el material empieza a ceder. Este punto de fluencia Y del material puede identificarse en la figura por el cambio en la pendiente, al final de la región lineal. Debido a que el inicio de la fluencia es difícil de detectar (usualmente no ocurre de manera brusca en la pendiente), se define típicamente a Y como el esfuerzo que provoca una desviación del 0.2% con respecto a la línea recta. 

El punto de fluencia es una característica de la resistencia del material, también se le llama resistencia a la fluencia (otros nombres son esfuerzo de fluencia o límite elástico). El punto de fluencia marca la transición a la región plástica y el inicio de la deformación plástica del material. La relación entre el esfuerzo y la deformación no se rige en adelante por la ley de Hooke. Al incrementarse la carga por encima del punto de fluencia continúa la elongación del espécimen, pero a una velocidad mucho mayor que antes, causando el dramático cambio en la pendiente de la curva que se muestra en la figura 3.3. La elongación del material es acompañada de una reducción uniforme del área en la sección transversal, pero el volumen del material permanece constante. Finalmente, la carga aplicada E alcanza su valor máximo, y el esfuerzo ingenieril calculado para este punto se llama resistencia a la tensión o última resistencia a la tensión del material; a la cual denotamos por TS, donde TS = Fmáx /A0 . TS y Y son dos importantes propiedades de resistencia para los cálculos de diseño (también se usan para cálculos en manufactura). En la tabla 3.2 se enlistan los valores típicos de la resistencia a la fluencia y de la resistencia a la tracción para algunos materiales seleccionados. Debido a que la resistencia a la tensión convencional es difícil de aplicar a los materiales cerámicos, se usa un ensayo alternativo para medir la resistencia de estos materiales frágiles (sección 3.1.3). Las propiedades de resistencia de los polímeros difieren de los metales y de los materiales cerámicos a causa de su viscoelasticidad. 

A la derecha de la resistencia a la tensión en la curva esfuerzo contra deformación, la carga empieza a descender, y el espécimen de prueba inicia un proceso típico de elongación localizada conocido como la formación del cuello. En lugar de seguir deformándose de manera uniforme a lo largo de toda su longitud, la deformación empieza a concentrarse en una pequeña sección del espécimen o probeta. El área de dicha sección se angosta significativamente (se estrangula) hasta que se rompe. La resistencia calculada inmediatamente antes de la rotura se conoce como esfuerzo de fractura. 

La cantidad de deformación que el material puede soportar antes de romperse es también una propiedad mecánica de interés en muchos procesos de manufactura. La medida común de esta propiedad es la ductilidad, que es la capacidad de un material para deformarse plásticamente sin fracturarse. Esta medida puede tomarse ya sea como elongación o como reducción de área. La elongación puede definirse como:

donde EL = elongación, frecuentemente expresada como una relación porcentual; L1 = longitud del espécimen en la fractura, puIg (mm) medida como la distancia entre las marcas de calibración luego de juntar las dos partes del espécimen; y L0 = longitud original de la probeta. La reducción de área se define como:

donde AR reducción de área, frecuentemente expresada en porcentaje; Af = área de la sección transversal en el punto de fractura, pulg2 (mm2 ); y A0 área original, pulg2 (mm2 ). 

Hay problemas con estas dos medidas de ductilidad debido al estrangulamiento que ocurre en los especimenes de prueba y la no uniformidad en el efecto de elongación y de reducción de área. A pesar de esto, la elongación porcentual y la reducción porcentual de área son las medidas de ductilidad más comunes. En la tabla 3.3 se enlistan algunos valores típicos de la elongación porcentual para varios materiales (metales en su mayoría).

Esfuerzo-deformación real Algunos lectores cuidadosos pueden haber tenido problemas para calcular el esfuerzo ingenieril con el uso del área original de la probeta, en lugar del área (instantánea) que se reduce cada vez más a medida que avanza el ensayo. El valor del esfuerzo obtenido al dividir la carga aplicada entre el valor instantáneo del área se define como esfuerzo real:

TABLA 3.3 Ductilidad media como elongación porcentual (valores típicos) para varios materiales seleccionados.

De igual manera, la deformación real proporciona una valoración más realista de la elongación “instantánea” por unidad de longitud del material. El valor de la deformación real en un ensayo de tensión puede estimarse al dividir la elongación total en pequeños incrementos, después se calcula la deformación ingenieril para cada incremento con base en su longitud inicial y finalmente, se suman todos los valores obtenidos. En el límite, la deformación real se define como:

donde L = longitud instantánea en cualquier momento durante la elongación. Al final del ensayo (u otra deformación), el valor final de la deformación puede calcularse usando 

L = Lf

Si la curva deformación contra esfuerzo de la figura 3.3 se trazara de nuevo, usando los valores verdaderos del esfuerzo y la deformación, la curva resultante sería la que se muestra en la figura 3.4. En la región elástica el trazo es virtualmente el mismo que antes. Los valores de la deformación son pequeños y la deformación real es casi igual a la ingenieril para la mayoría de los metales de interés. Los respectivos valores de esfuerzos son también muy cercanos unos de otros. El motivo de esta cercanía es que el área de la sección transversal de las probetas no se reduce significativamente en la región elástica; por lo tanto, puede usarse la ley de Hooke para relacionar el esfuerzo real con la deformación real: σ = E∈ 

La diferencia entre la curva esfuerzo-deformación real y su contraparte ingenieril se da en la región plástica. Los valores del esfuerzo son más altos en la región plástica porque actualmente se usan en el cálculo las áreas instantáneas de la sección transversal de las probetas, mismas que han sido continuamente reducidas durante la elongación. Igual que en la curva anterior, finalmente se produce un descenso de la curva como resultado del estrangulamiento. En la figura, una línea de guiones indica la proyección de la curva, si no ocurre la formación del cuello.

Conforme el esfuerzo se vuelve significativo en la región plástica, los valores de la deformación real y deformación ingenieril divergen. La deformación real puede relacionarse con la ingenieril por:

∈ = ln(1 +e) 

De igual manera el esfuerzo real y el ingenieril pueden relacionarse mediante la expresión 

σ = σ ( 1 + e)

Debemos hacer notar que en la figura 3.4 el esfuerzo aumenta continuamente en la región plástica hasta que empieza el estrangulamiento. El significado de este fenómeno se pierde en la curva esfuerzo-deformación ingenieril porque allí se usa, a sabiendas, un valor erróneo del área para calcular el esfuerzo. Entonces, no podemos descartar a la ligera que el esfuerzo real también aumenta. Eso significa que el metal se toma más resistente conforme el esfuerzo aumenta. Esta propiedad se llama endurecimiento por deformación, mencionado en el capítulo 2 en nuestro análisis de las estructuras cristalinas metálicas como una característica que exhiben todos los metales en mayor o menor grado. 

El endurecimiento por deformación o endurecimiento por trabajo, como se le llama a menudo, es un factor importante en ciertos procesos de manufactura, particularmente en conformado de metales. Examinemos el comportamiento de un metal que se vea afectado por esta propiedad. Si la porción de la curva de esfuerzo contra deformación que representa la región plástica se traza en una escala log-log, el resultado podría ser una relación lineal como se muestra en la figura 3.5. El resultado en esta transformación de datos es una línea recta, por tanto la relación entre el esfuerzo verdadero y la deformación verdadera en la región plástica se puede expresar como 

σ = K∈n 

Esta ecuación recibe el nombre de curva de flujo o fluencia, y capta con mucha aproximación el comportamiento de los metales en la región plástica, incluida su capacidad de endurecimiento por deformación. A la constante K se le llama coeficiente de resistencia, lb/pulg2 (MPa), e iguala el valor del esfuerzo real cuando éste es igual a 1. Al parámetro n se le llama exponente de endurecimiento por deformación, y es la pendiente de la línea que aparece en la figura 3.5. Su valor se relaciona directamente con la tendencia del metal a endurecerse por el trabajo. Los valores típicos de K y n para materiales seleccionados aparecen en la tabla 3.4. 

TABLA 3.4 Valores típicos del coeficiente de resistencia K y exponente de endurecimiento por deformación n para metales seleccionados.

La formación del cuello en el ensayo de tensión y en las operaciones de conformado de me-tales que estiran la pieza de trabajo está relacionada estrechamente con el endurecimiento por de-formación. Examinemos cómo se observa esta relación en un ensayo de tensión. A medida que el espécimen de prueba se alarga durante la parte inicial del ensayo (antes de que comience el estrangulamiento o cuello), ocurre una deformación uniforme en toda su longitud, si algún elemento del espécimen se deforma más que el metal que lo rodea hay un incremento en la resistencia debido al endurecimiento por trabajo, haciéndose más resistente a esfuerzos adicionales hasta que el metal adyacente se haya deformado en la misma proporción. Finalmente, el esfuerzo se vuelve tan grande que la deformación uniforme no puede continuar. Se desarrolla un punto débil en la probeta (a causa de la acumulación de dislocaciones en los límites de grano, impurezas del metal y otros factores) y da inicio a la formación del cuello de botella que conduce a la ruptura. La evidencia empírica revela que el cuello se forma en un metal, cuando el esfuerzo real alcanza un valor igual al exponente de endurecimiento por deformación n. En consecuencia, un alto valor de n significa que el metal puede deformarse más, antes de que inicie el estrangulamiento durante la carga a la tensión.

Tipos de relaciones esfuerzo-deformación La curva de esfuerzo contra deformación real proporciona mucha información acerca del comportamiento plástico. Como ya se ha indicado, la ley de Hooke ( σ= E∈) gobiema el comportamiento de los metales en la región elástica, y la curva de fluencia o flujo (σ= K∈n ) determina el comportamiento en la región plástica. Hay tres formas básicas de relación esfuerzo-deformación que describen el comportamiento de casi todos los tipos de materiales sólidos, tal como se muestra en la figura 3.6: 

a) Perfectamente elástica. El comportamiento de este material está definido completamente por su rigidez, indicada por el módulo de elasticidad E más que ceder a la fluencia plástica, se fractura. Los materiales frágiles como los cerámicos, muchos tipos de hierro colado y polímeros termofijos presentan curvas de esfuerzo contra deformación que caen dentro de esta categoría; estos materiales no son buenos candidatos para operaciones de conformado.

b) Elástica y perfectamente plástica. Este material tiene una rigidez definida por E. Una vez que alcanza el punto de fluencia Y, el material se deforma plásticamente al mismo nivel de esfuerzo. La curva de fluencia está dada por K = Y y n = 0. Los metales se comportan de esta manera cuando han sido calentados a temperaturas lo suficientemente altas para recristalizar, más que endurecerse por trabajo durante la deformación. El plomo exhibe este comportamiento a la temperatura ambiente, porque esta temperatura queda arriba del punto de recristalización del plomo. 

c) Elástica y endurecible por deformación. Estos materiales obedecen a la ley de Hooke en la región elástica, y comienzan a ceder en su punto de fluencia Y. Su deformación continua requiere esfuerzos siempre crecientes, dados por una curva de fluencia cuyo coeficiente de resistencia K es mayor que Y, cuyo exponente de endurecimiento por deformación n es mayor que cero. La curva de fluencia se representa generalmente como una función lineal en una gráfica logarítmica natural. La mayoría de los metales dúctiles se comportan de esta manera cuando se trabajan en frío.

 

Los procesos industriales que deforman materiales por medio de la aplicación de esfuerzos de tensión, incluyen el estirado de barras y alambres y conformado por estiramiento.