Guía Ensayo de Tensión PDF

GUÍA ENSAYO DE TENSIÓN O TRACCIÓN ENSAYO DE TENSIÓN: USO DEL DIAGRAMA ESFUERZO- DEFORMACIÓN Ensayo de tensión mide la resistencia de una material a una fuerza estática o gradualmente aplicada. Un dispositivo de ensayo aparece en la figura 6-1; una probeta típica tiene un diámetro de 0,505plg...

GUÍA ENSAYO DE TENSIÓN O TRACCIÓN ENSAYO DE TENSIÓN: USO DEL DIAGRAMA ESFUERZO- DEFORMACIÓN Ensayo de tensión mide la resistencia de una material a una fuerza estática o gradualmente aplicada. Un dispositivo de ensayo aparece en la figura 6-1; una probeta típica tiene un diámetro de 0,505plg y una longitud calibrada de 2plg. La Probeta se coloca en la máquina de pruebas y se le aplica una fuerza F, que se conoce como carga. Para medir el alargamiento del material causado por la aplicación de fuerza en la longitud calibrada se utiliza un extensómetro. En la tabla 6-1 se muestra el efecto de la carga en la longitud calibrada de una barra de aleación de aluminio. ESFUERZO Y DEFORMACIÓN INGENIERILES Para un material dado, los resultados de un solo ensayo son aplicables a todo tamaño y formas de muestras, si se convierte la fuerza en esfuerzo y la distancia entre marcas calibradas en deformación. El esfuerzo y la deformación ingenieriles se definen mediante las ecuaciones siguientes, (6-1) (6-2) Donde es el área original de la sección transversal de la probeta antes de iniciarse el ensayo, es la distancia original entre marcas calibradas y es la distancia entre las mismas, después de haberse aplicado la fuerza F. Las conversiones de carga-longitud calibrada a esfuerzo-deformación aparecen en la tabla 6-1. La curva esfuerzo-deformación (figura 6-2) se utiliza para registrar los resultados del ensayo de tensión. EJEMPLO 6-1 Convierta los datos de carga-longitud calibrada que aparecen en la tabla 6-1 a esfuerzo deformación ingenieriles y grafique la curva esfuerzo deformación. SOLUCIÓN EN EL CASO DE UNA CARGA DE 1000lb: ( ⁄ )( ) ⁄ Los resultados de cálculos similares para cada una de las cargas estantes se dan en la tabla 6-1 y aparecen en la figura 6-2. Unidades se utilizan unidades distintas para reportar los resultados de un ensayo de tensión. Las unidades más comunes para el esfuerzo son lb por (psi) y el megapascal (MPa). Las unidades de la deformación pueden ser ⁄ , ⁄ y ⁄. Los factores de conversión para el esfuerzo se resumen en la tabla 6-2. Dado que la deformación es adimensional, no se requieren factores de conversión para cambiar de sistema de unidades. 6-3 propiedades obtenidas del ensayo de tensión. EJEMPLO 6-2 Diseño de una varilla de suspensión Una varilla de suspensión debe resistir una fuerza aplicada de 45.000 lb. Para garantizar un factor de seguridad suficiente, el esfuerzo máximo permisible sobre la varilla se limita a 25.000 psi. La varilla debe tener por lo menos 150plg de largo, pero no debe deformarse elásticamente más de 0.25plg al aplicar la fuerza. Diseñe la varilla apropiada. SOLUCIÓN Se puede utilizar la definición de esfuerzo ingenieril para calcular el área de la sección recta de la varilla que se requiere: =1.8  La varilla se puede producir de diversas formas, siempre y cuando su sección transversal sea =1.8. Para una sección transversal circula, el diámetro mínimo para asegurar que el esfuerzo no sea demasiado grande es: La máxima deformación elástica permisible es de 0.25plg. De la definición de deformación ingenieril se tienen: De la figura 6-2 la deformación esperada para un esfuerzo de 25,000psi es de 0.0025 ⁄ Si se utiliza el área de la sección transversal anteriormente determinada, la longitud máxima de la varilla será 0.0025= o Sin embargo, se ha fijado la longitud mínima de la varilla como 150plg. Para producir una varilla más larga, se debe hacer mayor el área de la sección transversal de la misma. La deformación mínima permitida para la varilla de 150plg es ⁄ El esfuerzo, de la figura 6-2, es de aproximadamente 16,670psi, lo cual es menor al máximo de 25,000psi. La superficie del área transversal mínima es, por tanto, A fin de satisfacer tanto los requisitos de esfuerzo máximo como de elongación mínima, Esfuerzo de cedencia El esfuerzo de cedencia es el esfuerzo al cual la deformación plástica se hace importante. En los metales, es por lo general el esfuerzo requerido para que las dislocaciones se deslicen. El esfuerzo de cedencia es, por tanto, el esfuerzo que divide el comportamiento elástico y el plástico del material. Si se desea diseñar un componente que no se deforma plásticamente, se debe seleccionar un material con un límite elástico elevado, o fabricar el componente de tamaño suficiente para que la fuerza aplicada produzca un esfuerzo para quede por debajo del esfuerzo de cedencia. En algunos materiales, el esfuerzo al cual el material cambia su comportamiento de elástico a plástico no se detecta fácilmente. En este caso, se determina un esfuerzo de cedencia convencional [figura 6-3(a)]. Se traza una línea paralela a la porción inicial de la curva esfuerzo-deformación, pero desplaza a 0.002 ⁄ ( ) del origen. El esfuerzo de cedencia convencional de 0.2% es el esfuerzo al cual dicha línea interseca la curva esfuerzo – deformación. En la figura 6-3(a), el límite elástico convencional de 0.2% para el hierro fundido gris es de 40,000psi. FIGURA 6-3 (a) Determinación del límite elástico convencional al 0.2% de deformación en el hierro fundido gris y (b) esfuerzo de cedencia superior e inferior que describe el comportamiento mecánico de un acero al bajo carbono. La curva esfuerzo deformación para ciertos aceros de bajo carbono presentan un esfuerzo de cedencia o limite elástico doble [figura 6- 3(b)]. Se espera que el material se deforme plásticamente al esfuerzo. Sin embargo, los pequeños átomos intersticiales de carbono agrupados alrededor de las dislocaciones interfieren con el deslizamiento, elevando el punto de fluencia o límite de elasticidad hasta ,. Solo después de haber aplicado un esfuerzo mayor , empiezan a deslizarse las dislocaciones. Después de que se inicia el deslizamiento en , las dislocaciones se alejan de los agrupamientos de átomos de carbono y continúan moviéndose muy aprisa bajo el esfuerzo menor. Resistencia a la tensión El esfuerzo obtenido de la fuerza más alta aplicada es la resistencia a la tensión, que es el esfuerzo máximo sobre la curva esfuerzo- deformación ingenieril. En muchos materiales dúctiles, la deformación no se mantiene uniforme. En cierto momento, una región se deforma más que otras y ocurre una reducción local de importancia en la sección recta (figura 6-4). Esta región localmente deformada se conoce como zona de estricción. *También se conoce como limite elástico. **También se conoce como encuellamiento. 6-3 Propiedades obtenida del ensayo de tensión Do que el área de la sección transversal en este punto se hace más pequeña, se requiere una fuerza menos para continuar su deformación, y se reduce el esfuerzo ingenieril, calculado a partir del área original. La resistencia a la tensión es el esfuerzo al cual se inicia este encuellamiento o estricción en materiales dúctiles. Propiedades elásticas El módulo de elasticidad o módulo de Young, E, es la pendiente de la curva esfuerzo- deformación en su región elástica. Esta relación es la ley de Hooke: Este módulo está íntimamente relacionado con la energía de enlace de los átomos (figura 2-14). Una pendiente muy acentuada o abrupta en la gráfica fuerza-distancia en la zona de equilibrio indica que se requieren de grandes fuerzas para separar los átomos y hacer que el material se deforme elásticamente. Por tanto, el material tiene un módulo de elasticidad alto. Las fuerzas de enlace y el módulo de elasticidad, por lo general son mayores en materiales de punto de fusión alto (tabla 6-3). El modulo es una medida de la rigidez del material. Un material rígido, con un alto módulo de elasticidad, conserva su tamaño y su forma incluso al ser sometido a una carga en la región elástica. La figura 6-5 compara el comportamiento elástico del acero y del aluminio. Si a un eje de acero se le aplica un esfuerzo de 30,000 psi se deforma elásticamente 0.001 ⁄. El hierro tiene un módulo de elasticidad tres veces mayor que el del aluminio. El módulo de resistencia (E), que es el área que aparece bajo la porción elástica de la curva esfuerzo-deformación, es la energía elástica que un material absorbe o libera durante la aplicación y liberación de la carga aplicada respectivamente. En el caso de un comportamiento elástico lineal: ( )( )( ) La capacidad de un resorte o de una pelota de golf para realizar satisfactoriamente su cometido, depende de un módulo de resilencia alto. La relación de Poisson, relacionada la deformacion elástica longitudinal producida por un esfuerzo simple a tensión o compresión, con la deformación lateral que ocurre simultáneamente: En general, la relación Poisson es de aproximadamente 0.3(tabla 6- 3). EJEMPLO 6-3 De los datos del ejemplo 6-1, calcule el módulo de elasticidad de la aleación de aluminio. Utilice este módulo para determinar la longitud de una barra de 50plg a la cual se le ha aplicado un esfuerzo de 30,000psi. 6-3 propiedades obtenidas del ensayo de tensión De la ley de Hooke: ⁄ ( )( ) Ductilidad La ductilidad mide el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Se puede medir la distancia entre las marcas calibradas en una probeta antes y después del ensayo. El % de elongación representa la distancia que la probeta se alarga plásticamente antes de la fractura: % de elongación = (6-6) donde es la distancia entre las marcas calibradas después de la ruptura del material. Un segundo método para medir la ductilidad es calcular el cambio porcentual en el área de la sección transversal en el punto de fractura antes y después del ensayo. El % de reducción en el área expresa el adelgazamiento sufrido por el material durante la prueba: % de reducción en área= (6-7) Donde es el área de la sección transversal en la superficie de la fractura. La ductilidad es importante tanto para los diseñadores como para los fabricantes. El diseñador de un componente preferirá un material que tenga por lo menos cierta ductilidad, de manera que si el esfuerzo aplicado resulta demasiado alto, el componente se deforma antes de romperse. Los fabricantes también prefieren un material dúctil, a fin de manufacturar formas complicadas sin que se rompa durante el proceso. EJEMPLO 6-4 La aleación de aluminio del ejemplo 6-1 tiene una longitud final entre marcas calibradas, después de haber fallado, de 2.195plg y un diámetro final de 0.398 plg en la fractura. Calcule la ductilidad de esta aleación. SOLUCIÓN Elongación (%) = Reducción en superficie (%)= ( ⁄ )( ) ( ⁄ )( ) = =37.9% ( ⁄ )( ) La longitud final calibrada es menor de 2.205plg (tabla 6-1). El esfuerzo de cedencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad disminuyen a temperaturas más altas, en tanto que, por lo general, la ductilidad se incrementa. Un fabricante quizá desee deformar un material a una alta temperatura (lo que se llama comúnmente trabajo en caliente) para aprovechar esa mayor ductilidad y los menores esfuerzos requeridos. EJEMPLO 6-6 Compare el esfuerzo y la deformación ingenieriles con el esfuerzo y la deformación reales, para la aleación de aluminio del ejemplo 6-1 en (a) la carga máxima y (b) a la fractura. El diámetro a la carga máxima es de 0.497plg y a la fractura es de 0.398plg. SOLUCIÓN a. A la carga máxima o resistencia a la tensión: =( ⁄ )( ) =40,000psi ( ⁄ )( ) Deformación ingenieril = ⁄ ( ) ( ) 0.058 ⁄ b. A la fractura = =38,000psi ( ⁄ )( ) ( ⁄ )( ) Deformación ingenieril = ⁄ ( ⁄ )( ) ( ) ( ) ( ⁄ )( ) ( ) ⁄ El esfuerzo real se hace mucho mayor que el esfuerzo ingenieril, solo después de que se inicia el encuellamiento.