Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 1. Los ensayos de tracción. Los ensayos permiten conocer propiedades mecánicas de los metales Cuando un material es sometido a un esfuerzo responde de formas muy variadas. Las respuestas más características se denominan propiedades mecánicas. Para conocerlas antes de utilizar un material en un trabajo determinado, se realizan ensayos cuya finalidad es observar algunas de estas propiedades. Laboratorio de ensayos Los ensayos de tracción son una gama de ensayos muy extendida y practicada por su valor para determinar propiedades como la ductilidad, la elasticidad, la fragilidad y la plasticidad. Estas propiedades son muy importantes, por sus aplicaciones, en los metales, y permiten diferenciar los materiales dúctiles de los frágiles. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 1. Los ensayos de tracción Los metales poseen diferentes comportamientos Dentro de los metales se diferencian tres grandes tipos. En primer lugar, los metales elasto-plásticos de comportamiento general. El acero sería un ejemplo claro. Comportamiento de metales elásticos o dúctiles En segundo lugar, metales elasto-plásticos elásticos o dúctiles, que son aquellos que soportan grandes estiramientos antes de romperse y que tienen cierta capacidad para recuperar su forma inicial una vez cesa la aplicación de carga. Ejemplos de estos materiales son el aluminio, el bronce y el cobre. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 1. Los ensayos de tracción Comportamiento de metales frágiles Por último, los metales frágiles, que se rompen sin deformación perceptible previa. Un ejemplo claro son las fundiciones. Ensayo de tracción Gracias a los ensayos de tracción, podemos identificar propiedades importantes de los materiales y prever su comportamiento en diversas situaciones. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 1. Los ensayos de tracción Aspecto de rotura en una probeta Estos ensayos, muy comunes, son destructivos porque rompen el material, están normalizados y son repetibles. Carga de datos, previa a un ensayo de tracción Normalmente se determinan las siguientes características: El módulo elástico. Propiedades resistentes, como el "Límite elástico" y la "Resistencia a la tracción". Propiedades dúctiles, como el "Alargamiento" y la "Estricción". Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 1. Los ensayos de tracción. Carga máxima y carga de rotura La Carga Máxima y la Carga de Rotura son las fuerzas que está ejerciendo la máquina respectivamente en el punto de resistencia a la tracción y de tensión de rotura. Para simplificar, el método de cálculo en ambos casos consiste en multiplicar estos valores por la sección inicial S0 de la probeta Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 2. La curva tensión-alargamiento Gráfica tensión-alargamiento El ensayo de tracción consiste en estirar una probeta de dimensiones normalizadas en una máquina cuyas mordazas (elementos de sujeción de la probeta) se desplazan a una velocidad constante. Así se obtienen registros gráficos fuerzatiempo que la propia máquina convierte en tensiónalargamiento. Curva zona elástica La primera parte de la curva corresponde a la zona elástica, aquella en la que las deformaciones de la probeta son reversibles: si se retira la carga, los alargamientos se recuperan y el material vuelve a sus dimensiones originales. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 2. La curva tensión-alargamiento Módulo elástico, módulo de elasticidad o módulo de Young En esta zona, la relación tensión-alargamiento es lineal, según expresa la Ley de Hooke. La constante que relaciona estas magnitudes es específica de cada material y se conoce como Módulo elástico, Módulo de elasticidad o Módulo de Young. Representación gráfica del límite elástico La zona elástica termina en el punto conocido como "Límite elástico", donde las deformaciones producidas por el esfuerzo dejan de ser reversibles. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 2. La curva tensión-alargamiento Límite elástico convencional Como es difícil verlo en la gráfica, se estima que el Límite elástico convencional es el punto de intersección de la curva tensión-alargamiento con una recta paralela a ella, trazada, en el punto de 0,2% de alargamiento, desde el eje de abscisas. Zona plástica La segunda parte de la curva corresponde a la zona plástica, en la que los alargamientos son permanentes. La curva se hace más tendida, porque los esfuerzos para conseguir el alargamiento son mucho menores. Dentro de ella se pueden distinguir tres subzonas: Zona de cedencia. Zona plástica en sí. Zona de estricción. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 2. La curva tensión-alargamiento Zona de cedencia o fluencia En algunos materiales, no en todos, existe una zona de cedencia o fluencia, situada en la gráfica entre las partes elástica y plástica en sí. En esta zona, la gráfica muestra un comportamiento irregular, ya que la probeta experimenta alargamientos grandes y rápidos sin apenas variar la carga aplicada por la máquina. Resistencia a la tracción Superada la zona de cedencia en los materiales que poseen esta propiedad, o inmediatamente después de la zona elástica en los que carecen de ella, aparece la zona plástica como tal. En la zona plástica se encuentra el punto de máximo esfuerzo que soporta el material, conocido como "Resistencia a la tracción". Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 2. La curva tensión-alargamiento Zona de estricción A partir del punto más elevado de la curva, o Resistencia a la tracción, la deformación plástica deja de ser uniforme y se localiza en una zona determinada, cada vez más estrecha, conocida como zona de estricción. La zona de estricción comienza a partir del punto de resistencia a la tracción Tensión de rotura En la zona de estricción, la tensión disminuye y la curva cambia de pendiente, comenzando a descender hasta que finalmente se interrumpe al romper la probeta. La tensión de rotura es la que existe en el punto donde la probeta se rompe. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 2. La curva tensión-alargamiento Alargamiento de rotura Por último, hemos de mencionar el "Alargamiento de rotura", que es el alargamiento experimentado por la probeta en el punto de rotura. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 3. La máquina universal de ensayos Principales tipos de máquina universal Los ensayos se realizan con la denominada máquina universal de ensayos. Fuerza generada por la máquina Mediante dispositivos eléctricos o hidráulicos, esta máquina genera una fuerza que se aplica sobre el eje del material, al que se ha dado una forma predefinida conocida como probeta. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 3. La máquina universal de ensayos Estiramiento de la probeta Estás máquinas están pensadas para producir un estiramiento en la probeta, ya que generan una tracción uniaxial basada en un esfuerzo definido y reproducible. Partes de la máquina universal de ensayos La máquina tiene un cuerpo principal que constituye su base. Normalmente alberga la mecánica y en todo caso soporta la mordaza inferior o fija. Dos columnas sustentan un puente, que contiene la célula de carga y del que cuelga la mordaza superior o móvil. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 3. La máquina universal de ensayos En el puente superior se encuentra la célula de carga La célula de carga mide la carga que se aplica a la probeta y la deformación que ésta experimenta. Mordazas y mandíbulas Las mordazas disponen de unas piezas llamadas mandíbulas, que son las que sujetan la probeta y le aplican presión. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 3. La máquina universal de ensayos Equipo de control de la máquina La máquina universal de ensayos dispone de sistemas electrónicos que se comunican con un ordenador, desde el que se controla su funcionamiento. Partes de la máquina hidráulica La máquina hidráulica se caracteriza por desarrollar cargas más elevadas que la máquina eléctrica. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 3. La máquina universal de ensayos Elementos de una máquina hidráulica Externamente se distingue por su mayor tamaño, y por las mordazas, también mayores y con una forma distinta a la de las mordazas de las máquinas eléctricas. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 4. Las probetas Probetas La probeta es una porción de material extraída del metal a ensayar, preparada según las especificaciones de una norma. Al estar normalizada, permite que los resultados de los diferentes ensayos sean comparables entre sí. Descripción de las probetas Existen normativas muy precisas que definen la forma de preparar las probetas en función de las diversas situaciones y objetivos que se precise ensayar. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 4. Las probetas Cabezales de la probeta Las probetas pueden tener formas muy variadas aunque normalmente son objetos alargados de forma cilíndrica o prismática. En ellas se distinguen claramente dos zonas: los cabezales y el cuerpo central. Zona calibrada y radio de acuerdo El cuerpo central es la zona donde se realiza el ensayo y se produce la deformación al recibir el esfuerzo. También se conoce como Zona calibrada, y se une a los cabezales mediante los llamados “radios de acuerdo”. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 4. Las probetas Puntos de calibración El ensayo de tracción provoca tanto el estiramiento como el adelgazamiento de la probeta. Para facilitar la medida del estiramiento de la probeta, se suelen practicar en la Zona calibrada dos marcas que distan entre si un valor predefinido que se conoce como L0, o distancia inicial entre los puntos de calibración. La distancia final entre marcas tras el estiramiento se conoce como L1. El extensómetro Para reforzar la precisión de estas medidas se utilizan extensómetros, aparatos que registran las longitudes inicial y final de la zona calibrada. De esta forma se evitan errores derivados de desplazamientos de la probeta respecto a los cabezales durante los ensayos. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 4. Las probetas Secciones inicial y final de la probeta También es importante conocer los valores de las secciones inicial y final de la zona calibrada, ya que al producirse el estiramiento esta sección adelgaza. Medición con calibre Diremos, por último, que es conveniente realizar mediciones manuales de la longitud y la sección de la zona calibrada, tanto antes como después del ensayo. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 5. Propiedades analizadas en los ensayos de tracción Curva de tensión-alargamiento de un ensayo de tracción El ensayo de tracción se plasma en una gráfica, a partir de la cual se obtienen los siguientes parámetros: Módulo elástico. Propiedades resistentes, como el Límite elástico y la Resistencia a la tracción. Propiedades dúctiles, como el Alargamiento y la Estricción. Módulo elástico En la parte elástica calculamos el módulo elástico y el límite elástico. El módulo elástico coincide con la pendiente de la parte recta del diagrama tensiónalargamiento. Y para calcularlo se halla el cociente entre el valor del esfuerzo en ordenadas y el de la elongación en abscisas. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 5. Propiedades analizadas en los ensayos de tracción Límite elástico El límite elástico corresponde al momento del ensayo en el que el material deja de ser elástico para pasar a comportarse plásticamente. En la gráfica, es el punto identificado con la letra B. Límite elástico superior e inferior No siempre es fácil discernir el punto exacto del límite elástico y por ello se barajan varios criterios de cálculo. En curvas con cedencia existe un límite elástico superior y un límite elástico inferior. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 5. Propiedades analizadas en los ensayos de tracción Límite elástico convencional En curvas sin cedencia, se estima que el límite elástico convencional es el punto de intersección de la curva con una recta paralela a ella, trazada, en el punto de 0,2% de alargamiento, desde el eje de abscisas. Resistencia a la tracción La resistencia a la tracción es el punto de máximo esfuerzo que soporta el material. Se produce en la zona plástica y, a partir de él, la deformación deja de ser uniforme y se inicia la estricción. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 5. Propiedades analizadas en los ensayos de tracción Tensión de rotura El valor del esfuerzo soportado por la probeta cuando rompe se conoce como Tensión de rotura y es el punto donde finaliza la gráfica. Carga máxima y carga de rotura La Carga máxima y la Carga de rotura son las fuerzas que está ejerciendo la máquina, respectivamente en el punto de resistencia a la tracción y de tensión de rotura. Para simplificar, el método de cálculo en ambos casos consiste en multiplicar estos valores por la sección inicial So de la probeta. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 5. Propiedades analizadas en los ensayos de tracción Estricción Para finalizar, es necesario calcular la estricción y el alargamiento. Se denomina estricción a la reducción de área que tiene lugar en la zona de rotura. La fórmula de la estricción se expresa como el valor de la sección original menos la sección final, partido por la sección original y multiplicado por 100; y para eso se realizan las correspondientes mediciones con el calibrador. Alargamiento El alargamiento comprende la zona de alargamiento uniforme (desde el inicio del ensayo hasta el punto de Resistencia a la tracción) y la de alargamiento localizado o estricción. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Tema 5. Propiedades analizadas en los ensayos de tracción Constante k Si lo que se pretende es comparar ensayos, realizados entre diferentes probetas, debe utilizarse la misma constante de proporcionalidad en las probetas. El valor de k, en la norma UNE es de 5,65. Ensayos de tracción: contenidos teóricos Documentación complementaria NORMATIVA QUE REGULA LOS ENSAYOS DE TRACCIÓN Los ensayos de tracción están regulados por Normas. En este simulador se tomarán como referencias principales las Normas UNE-EN 10002-1 (2002) y ASTM E 8/E 8M (2008), sobre todo la primera de ellas. La UNE-EN 10002-1 es la norma europea. AENOR. Materiales metálicos. Ensayos de tracción. Parte 1: Método de ensayo a temperatura ambiente. UNE-EN 10002-1. Madrid: AENOR, 2002. La ASTM E 8 / E 8M (2008) es la norma americana. ASTM es el acrónimo de American Society for Testing Materials. ASTM International. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM E8 / E8M – 09. Pennsylvania, EE UU: ASTM, 2008. Ade más de las de anteriores, existen otras normas que regulan aspectos lo s e nsay os . Entre e llas de s tacamo s las s iguie nte s: concretos 1. AENOR. Materiales metálicos. Ensayos de tracción. Parte 5: Método de ensayo a temperatura elevada. UNE 7474-5. Madrid: AENOR, 1992. 2. AENOR. Ensayos destructivos de uniones soldadas en materiales metálicos. Ensayos de tracción longitudinal sobre el metal de aportación en uniones soldadas por fusión. UNE-EN 876. Madrid: AENOR, 1996. 3. AENOR. Acero y productos de acero. Localización y preparación de muestras y probetas para ensayos mecánicos. UNE-EN ISO 377. Madrid: AENOR, 1998. 4. AENOR. Dimensiones de las probetas y procedimiento de ensayo de tracción en probetas en cruz de soldeo por resistencia por puntos y por protuberancias. UNE-EN ISO 14272. Madrid: AENOR, 2002. 5. AENOR. Especificación y cualificación de los procedimientos de soldeo para los materiales metálicos. Ensayo de procedimiento de soldeo. Todas las partes de esta Norma. UNE-EN ISO 15614. Madrid: AENOR, 2004 a 2006. 6. AENOR. Material aeroespacial. Materiales metálicos. Métodos de ensayo. Parte 1: Ensayo de tracción a temperatura ambiente. EN 2002-001. Madrid: AENOR, 2005. 7. AENOR. Material aeroespacial. Materiales metálicos. Métodos de ensayo. Parte 2: Ensayo de tracción a temperatura elevada. EN 2002-002. Madrid: AENOR, 2005. 8. AENOR. Aceros de construcción con resistencia mejorada a la deformación en la dirección perpendicular a la superficie del producto. UNE-EN 10164. Madrid: AENOR, 2007. 9. AENOR. Materiales metálicos sinterizados, excepto metal duro. Probetas para el ensayo de tracción. UNE-EN ISO 2740. Madrid: AENOR, 2008. 10. ASME International (American Society of Mechanical Engineers). Boiler and Pressure Vessel Code. New York: ASME International, 2007. Las normas UNE están disponibles en la web de AENOR (Asociación Española de Normalización y Certificación): www.aenor.es. La ASTM en www.astm.org y el Código ASME en www.asme.org. REFERENCIAS LEGALES DE SEGURIDAD LABORAL España. Real Decreto 1.435/1992, de 27 de noviembre, de aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre máquinas. Boletín Oficial del Estado, 11 de diciembre de 1992, núm. 297, p. 41.972. Aplica a España la directiva europea 89/392/CEE. Establece los requisitos de seguridad y salud en máquinas. España. Real Decreto 39/1997, de 17 de enero, por el que se aprueba el Reglamento de los Servicios de Prevención. Boletín Oficial del Estado, 31 de enero de 1997, núm. 21, p. 3.031. Regula la evaluación de los riesgos y la planificación de la actividad preventiva, así como la organización de los recursos para esta actividad. España. Real Decreto 485/1997, de 14 de abril, sobre disposiciones mínimas en materia de señalización de seguridad y salud en el trabajo. Boletín Oficial del Estado, 23 de abril de 1997, núm. 97, p. 12.911. Desarrolla la ley 31/1995 en materia de señalización de seguridad y salud en el trabajo. España. Real Decreto 486/1997, de 14 de abril, por el que se establecen las disposiciones mínimas de seguridad y salud en los lugares de trabajo. Boletín Oficial del Estado, 23 de abril de 1997, núm. 97, p. 12.918. Desarrolla la ley 31/1995 en materia de seguridad y salud en los lugares de trabajo: orden, limpieza y mantenimiento; condiciones ambientales; iluminación; servicios higiénicos y locales de descanso; material y locales de primeros auxilios. España. Real Decreto 487/1997, de 14 de abril, sobre disposiciones mínimas en materia de seguridad y salud relativas a la manipulación manual de cargas que entrañe riesgos, en particular dorsolumbares, para los trabajadores. Boletín Oficial del Estado, 23 de abril de 1997, núm. 97, p. 12.926. Desarrolla la ley 31/1995 en lo relativo a manipulación manual de cargas. España. Real Decreto 773/1997, de 30 de mayo, sobre disposiciones mínimas de seguridad y salud relativas a la utilización por los trabajadores de equipos de protección individual. Boletín Oficial del Estado, 12 de junio de 1997, núm. 140, p. 18.000. Desarrolla la ley 31/1995 en materia de EPI’s. España. Real Decreto 1.215/1997, de 18 de julio, por el que se establecen las disposiciones mínimas de seguridad y salud para la utilización por los trabajadores de los equipos de trabajo. Boletín Oficial del Estado, 7 de agosto de 1997, núm. 188, p. 24.163. Desarrolla la ley 31/1995 en materia de utilización por los trabajadores de los equipos de trabajo, a fin de evitar riesgos para la seguridad o salud de aquéllos. España. Real Decreto 286/2006, de 10 de marzo, sobre la protección de la salud y la seguridad de los trabajadores contra los riesgos relacionados con la exposición al ruido. Boletín Oficial del Estado, 11 de marzo de 2006, núm. 60, p. 9.842. Desarrolla la ley 31/1995 en la materia indicada en el propio título de la disposición. La legislación vigente en España puede ser consultada en el Boletín Oficial del Estado: www.boe.es. Asimismo, en materia de seguridad laboral es aconsejable consultar la web del Instituto Nacional de Seguridad de Higiene en el Trabajo: www.insht.es.
