Cuando se diseña cualquier mecanismo, edificio o elemento mecánico sometido a unas cargas, se hace con la seguridad de que el material va a soportarlas. Pero, ¿cómo se puede conocer la resistencia de un material? Entre otros, destaca el ensayo de tracción.
¡Vamos a verlo! ¡Hola, amigos de la ciencia y la tecnología! ¡Bienvenidos ingeniosos!
En el vídeo de hoy vamos a aprender en qué consiste el ensayo de tracción y qué información nos aporta acerca de un material. El ensayo de tracción es un ensayo simple pero muy completo y consiste en producir un alargamiento estirando o traccionando de una probeta del material que vamos a analizar. Estas probetas tienen una geometría normalizada, siendo las cabezas mucho más anchas que la zona central. La probeta se sujeta en la máquina de tracción, agarrando las cabezas con unas mordazas. Y entonces, la máquina aplica un desplazamiento a una velocidad controlada, separando las mordazas.
A partir del sistema de adquisición de datos de la máquina, la fuerza que se está aplicando para deformar la probeta es registrada, y se grafica en función del desplazamiento para cada instante. La gráfica fuerza-alargamiento obtenida es algo parecido a esta, donde podemos distinguir dos zonas diferenciadas. Un crecimiento inicial lineal de la fuerza con el alargamiento, y una segunda zona en la que se alcanza un máximo y después la fuerza cae.
Vamos a observar la evolución de la probeta durante el ensayo. Esta cuenta inicialmente con una longitud calibrada, donde la sección es constante. Conforme avanza el ensayo, la longitud se incrementa y la fuerza aumenta. La deformación que se produce en la probeta está homogéneamente repartida por toda su longitud, y se observa como a medida que se alarga hay una reducción de la sección de la probeta, que es igual en toda la longitud.
hasta llegar al punto máximo. El máximo de la curva es la mayor carga que es capaz de resistir esta probeta de este material. A partir de este punto se observa el fenómeno de la estricción, localizando una zona en la que se produce una reducción acelerada de la sección, hasta llegar a la rotura.
Para que el ensayo se dé por válido, la rotura debe darse siempre por la zona central de la probeta. Sin embargo, este análisis que hemos realizado depende de las condiciones geométricas de la probeta. Si esta tiene una sección inicial mayor, obviamente va a resistir una fuerza máxima mayor, por lo que necesitamos trabajar eliminando el factor geométrico de la probeta.
Para ello, a partir de la gráfica anterior se obtiene la gráfica de tensión-deformación ingenieril. La tensión se calcula como la fuerza entre la sección inicial de la probeta, y la deformación unitaria se obtiene a partir del incremento de longitud entre la longitud inicial de la probeta. La gráfica de tensión-deformación ingenieril tiene una forma semejante a la gráfica fuerza-desplazamiento, pero ahora los resultados sí nos hablan de las propiedades mecánicas del material, sin la influencia de las características geométricas de la probeta.
Se distinguen de nuevo dos zonas diferenciadas, la primera zona, donde la tensión es linealmente proporcional a la deformación, y la segunda zona, donde esta relación lineal se pierde. La primera zona es conocida como zona elástica. ya que el material se comporta como un muelle, siendo la tensión directamente proporcional a la deformación según la ley de Hooke. Además, en esta zona, si se libera la probeta a mitad del ensayo, se recupera toda la deformación producida, volviendo al estado inicial.
De ahí la comparación con un muelle. La constante de proporcionalidad es conocida como módulo de Young o módulo elástico, y tiene las mismas unidades que la tensión, es decir, pascales o megapascales. Este valor es sumamente importante. ya que da información acerca de la rigidez del material, que es la resistencia a la deformación que tiene el material cuando se le aplica una fuerza.
Comparativamente, los polímeros tienen un módulo elástico bajo, inferior a los materiales metálicos y estos, a su vez, inferior a los materiales cerámicos. Sin embargo, hay que mencionar que existen materiales que no son isótropos, lo que significa que sus características mecánicas difieren según la dirección en la que se evalúe. Esto ocurre en ejemplos como la madera.
u otros fabricados industrialmente con una estructura formada por fibras alineadas, como es el caso de la fibra de carbono. Como el módulo elástico es la pendiente de la gráfica, puede obtenerse a partir de la tangente del ángulo con la horizontal. La región elástica finaliza en el límite elástico, que es la máxima tensión elástica que puede soportar el material recuperando su forma original tras el cese de la carga.
A partir de este punto comienza la región plástica. Sin embargo, como muchas veces no es sencillo localizar el cambio de pendiente en el límite elástico, se suele obtener por convenio el valor del límite elástico al 0,2% de deformación, a partir de una recta paralela a la inclinación de la zona elástica hasta su corte con la gráfica. Y ahora, ¿qué ocurre en la zona plástica?
Cualquier deformación que supere la recta, se puede localizar en la zona elástica. La región elástica será irreversible, quedando el material en ese estado de deformación tras el cese de la carga. Únicamente se recupera la parte elástica de la deformación total, por lo que el descenso se realiza paralelo a la recta de la zona elástica.
En la zona plástica, la tensión aumenta hasta alcanzar la tensión última de rotura del material, que es el máximo en la curva, a partir de la cual se produce la estricción y la caída de la tensión hasta el punto final en el que rompe la brodeta. Un material dúctil tiene la capacidad de deformarse plásticamente antes de la rotura, y será más dúctil cuanta mayor deformación plástica admita. Por el contrario, los materiales frágiles no tienen la capacidad de deformarse plásticamente, produciéndose la rotura en una etapa temprana tras el límite elástico, presentando así una curva característica mucho más corta. El área bajo la curva es igual a toda la energía absorbida en modo de energía de deformación que es necesaria para romper el material. lo que se conoce como tenacidad del material.
El área bajo la curva en la zona elástica es la energía necesaria para deformar elásticamente el material, lo que se conoce como resiliencia. Como resumen, los parámetros importantes y característicos de las propiedades mecánicas de un material son el módulo elástico o de Young, el límite elástico, la tensión última de rotura y el alargamiento en la rotura. Pero, ¿cómo los usamos? Eso dependerá de nuestra aplicación.
Normalmente... Para las aplicaciones de elementos mecánicos o estructurales, como el diseño y dimensionamiento de vigas en un edificio, se trabaja en régimen elástico, siempre por debajo del límite elástico. Esto significa que las tensiones que estén producidas debido a las cargas aplicadas nunca deben sobrepasar el límite elástico, de modo que, cuando cesen, pueda recuperarse la forma inicial del elemento.
Sin embargo, en procesos de fabricación como la laminación, la extrusión o la embutición, entre otros, en los que la forma final es diferente a la de partida, se entra en régimen plástico, para que el material se quede con la forma final deseada sin llegar al límite último de rotul. ¿Pero pensáis que la curva de tracción es siempre así? Lo cierto es que no. Para algunos materiales, en especial para el caso de los aceros, la curva presenta la forma siguiente, distinguiendo tres zonas.
Entre las zonas elástica y plástica de la curva aparece una tercera zona, llamada zona de fluencia o de cedencia. Como describe la forma plana de la curva, al sobrepasar el límite elástico se produce una deformación apreciable del material sin incrementar la tensión aplicada. La tensión en el punto de inicio se llama límite de fluencia y la deformación producida en esta zona es también irreversible. Este fenómeno es debido a la liberación de dislocaciones, generando una brusca deformación. Pero estos y otros conceptos los veremos en próximos vídeos.
Muchas gracias por elegir el canal para seguir aprendiendo. Sabéis que podéis dejar cualquier pregunta en los comentarios o en la dirección de correo si queréis que hablemos de más temas de ingeniería y de materiales como estos. Gracias y recordad, en el saber nunca cabe la saciedad. ¡Hasta otra!