Introducción
En ingeniería, los materiales están expuestos a distintos tipos de cargas. Las cargas a las que pueden estar sometidos los materiales pueden enumerarse como tracción, compresión, flexión, cizalladura o torsión. Al mismo tiempo, estas cargas pueden diferir de forma estática o dinámica. El material puede tener que resistir una o varias de estas cargas al mismo tiempo. En este caso, es necesario saber qué material utilizar y en qué condiciones. Para agrupar los materiales, se observan sus reacciones bajo determinadas cargas mediante ensayos, y así se revelan las propiedades mecánicas de los materiales.
Podemos separar las pruebas para obtener propiedades de elasticidad en estáticas y dinámicas. Para que un ensayo sea estático, la fuerza debe aplicarse a una frecuencia máxima de 1 Hz, de forma constante y una sola vez. En este caso, la tensión es constante y la relación de alargamiento es inferior a 0,25 en el ensayo estático. Los ensayos dinámicos se utilizan para este tipo de cargas, ya que los ensayos estáticos no pueden constituir un modelo adecuado para cargas que cambian repentinamente. En los ensayos dinámicos, la carga es variable y se aplica a la muestra una deformación sinusoidal. Estos ensayos también pueden realizarse a temperaturas altas o bajas. Como resultado de los ensayos dinámicos, se obtiene información sobre la dureza y la amortiguación. Podemos examinar los ensayos de fatiga como una subrama de los ensayos dinámicos. La carga se aplica cíclicamente. Estos ensayos se realizan con ciclos de tracción-tracción, compresión-compresión o compresión-inversión. Como resultado del ensayo de fatiga, se puede determinar la vida útil de los materiales. La resistencia a la fatiga y la resistencia al agrietamiento también se determinan con la prueba de fatiga.
Ensayo de tracción
El ensayo de tracción es una de las pruebas más comunes en ingeniería para determinar las propiedades de resistencia de los materiales. Se realiza para determinar las propiedades mecánicas de materiales isótropos. Este ensayo se basa básicamente en la aplicación de una fuerza de tracción sobre la probeta desde caras opuestas en la misma dirección, y el control de la tensión sobre el material hasta que éste se rompe. Como resultado del ensayo de tracción se puede obtener el límite elástico, el límite máximo de tracción, la ductilidad, el módulo de Young, el módulo de cizalladura y la relación de Poisson del material.
Curvas tensión-deformación
Curvas de tensión y deformación
El esfuerzo de tracción nominal aplicado al material durante el ensayo es el siguiente:
Donde F es la fuerza de tracción y A_0 es el área de la sección transversal bajo tensión. Y la deformación se define como;
Donde L_0 es la longitud inicial de la probeta y Δ_L es el alargamiento del material tras el ensayo.
Con los valores derivados del ensayo, se obtiene la curva tensión-deformación. Esta curva revela el punto de rotura, el límite elástico, la resistencia máxima a la tracción y el estado de fragilidad-ductilidad del material. Otra ventaja es que proporciona información independientemente de las dimensiones del material.
El diagrama anterior muestra la curva tensión-deformación de un material frágil.
En la mayoría de las curvas, la parte inicial es lineal. El valor del límite elástico se obtiene en la curva cuando se traza una curva paralela a la pendiente de la curva a partir del punto en el que el alargamiento en la curva tensión-deformación es 0,2%. Podemos determinar la tensión máxima que puede soportar un material sin sufrir daños permanentes utilizando su límite elástico. Hasta este punto, el objeto se encuentra en la región elástica. Después, el material entra en la zona plástica, donde las fuerzas ejercidas sobre él provocan daños permanentes.
Tensión de fluencia
La pendiente de la línea imaginaria que trazamos para hallar el límite elástico nos da el módulo de Young, que es una propiedad importante del material. El módulo de Young se obtiene mediante:
La siguiente ecuación representa la relación de Poisson, que es el negativo de la relación entre el desplazamiento horizontal y el desplazamiento vertical:
Prueba
La mayoría de las vistas transversales de las probetas utilizadas en el ensayo de tracción se muestran en la figura. Las muestras pueden tener forma de lámina o de cilindro.
Se pueden utilizar distintos tipos de sujeción en función de los distintos materiales y niveles de sensibilidad de medición. Cada método de sujeción tiene sus propias ventajas e inconvenientes.
Prueba de compresión
El ensayo de compresión demuestra cómo se comportan los materiales cuando se comprimen o aplastan. El ensayo suele durar hasta que la sustancia se rompe o hasta un límite predeterminado. Así se calcula la carga que puede soportar el material antes de romperse y el grado de degradación que ha sufrido hasta ese momento. Para probar un material, a menudo se calienta o enfría y se somete a muchas direcciones de fuerza de compresión. Sin embargo, las pruebas pueden realizarse en condiciones muy variadas.
Los materiales con alta resistencia a la tracción suelen tener baja resistencia a la compresión. Por este motivo, estos materiales se examinan mediante ensayos de compresión. Los materiales sobre los que se realizan más ensayos de compresión suelen ser materiales quebradizos, por ejemplo, materiales compuestos, hormigón, madera, metal y ladrillo; polímeros, plásticos y espumas.
Como resultado del ensayo de compresión se obtiene una curva fuerza-deformación. A continuación, la fuerza se convierte en tensión para crear una curva tensión-deformación. Esta curva es muy similar a la curva tensión-deformación del ensayo de tracción. Sólo que los ejes están en la dirección para mostrar el acortamiento.
Esfuerzo de compresión - % Deformación de compresión
Los cálculos del ensayo de tracción también son válidos para el ensayo de compresión. La tensión de compresión se expresa como;
Trituración
El aplastamiento se utiliza para expresar cuánto se acortó el material durante la prueba.
Expresa el aplastamiento.
Hinchazón
El hinchamiento es el crecimiento de la sección transversal del material sometido a ensayo. Los materiales dúctiles son más propensos al hinchamiento. Se formaliza por:
Prueba
Los materiales quebradizos suelen ser objeto de ensayos de compresión. La norma ISO 844 ofrece como ejemplo las características de compresión de las espumas rígidas. En esta norma se indican los valores y formas de la sección transversal, los valores de temperatura-humedad y los resultados previstos de las muestras. Las tensiones se indican en kPa.
El valor de la elasticidad de compresión en la norma es el siguiente:
Aquí, σ_e, es la fuerza al final de la región elástica convencional, h_0 es el espesor inicial del material, y x_e es la trayectoria tomada por la fuerza que genera la tensión.
A continuación se exponen algunas de las normas desarrolladas para los ensayos de compresión:
ASTM D575-91 - Métodos de ensayo estándar para las propiedades del caucho en compresión
ASTM E9-19 - Métodos de ensayo estándar de compresión de materiales metálicos a temperatura ambiente
TS EN ISO 14126 - Materiales compuestos plásticos reforzados con fibras - Determinación de las propiedades de compresión en la dirección en el plano
Descripción de la técnica
La evaluación del comportamiento mecánico de una muestra en condiciones de tracción y compresión puede realizarse para proporcionar datos básicos sobre las propiedades de los materiales que son fundamentales para el diseño de componentes y la evaluación del rendimiento en servicio. Los requisitos para los valores de resistencia a la tracción y a la compresión y los métodos de ensayo de estas propiedades se especifican en diversas normas para una amplia variedad de materiales. Los ensayos pueden realizarse en muestras de material mecanizadas o en modelos a tamaño real o a escala de componentes reales. Estos ensayos suelen realizarse con un instrumento universal de ensayos mecánicos.
Un ensayo de tracción es un método para determinar el comportamiento de los materiales bajo carga de tracción axial. Los ensayos se realizan fijando la probeta en el aparato de ensayo y, a continuación, aplicando una fuerza a la probeta mediante la separación de las crucetas de la máquina de ensayo. La velocidad de la cruceta puede variar para controlar la velocidad de deformación de la probeta. Los datos del ensayo se utilizan para determinar la resistencia a la tracción, el límite elástico y el módulo de elasticidad. La medición de las dimensiones de la probeta después del ensayo también proporciona valores de reducción de área y alargamiento para caracterizar la ductilidad del material. Los ensayos de tracción pueden realizarse en muchos materiales, incluidos metales, plásticos, fibras, adhesivos y cauchos. Los ensayos pueden realizarse a temperaturas subambientales y elevadas.
Un ensayo de compresión es un método para determinar el comportamiento de los materiales bajo una carga de compresión. Los ensayos de compresión se realizan cargando la probeta entre dos placas y, a continuación, aplicando una fuerza a la probeta mediante el movimiento conjunto de las crucetas. Durante el ensayo, la probeta se comprime y se registra la deformación en función de la carga aplicada. El ensayo de compresión se utiliza para determinar el límite elástico, el límite proporcional, el límite elástico, el límite elástico y (para algunos materiales) la resistencia a la compresión.
Información analítica
Resistencia a la compresión - La resistencia a la compresión es el esfuerzo de compresión máximo que un material es capaz de soportar sin fracturarse. Los materiales frágiles se fracturan durante la prueba y tienen un valor definido de resistencia a la compresión. La resistencia a la compresión de los materiales dúctiles viene determinada por su grado de deformación durante la prueba.
Límite elástico - El límite elástico es la tensión máxima que puede soportar un material sin sufrir deformaciones permanentes tras la eliminación de la tensión.
Alargamiento - El alargamiento es la cantidad de extensión permanente de una probeta que se ha fracturado en un ensayo de tracción.
Módulos de elasticidad - El módulo de elasticidad es la relación entre la tensión (por debajo del límite proporcional) y la deformación, es decir, la pendiente de la curva tensión-deformación. Se considera la medida de rigidez o dureza de un metal.
Límite proporcional - El límite proporcional es la mayor cantidad de tensión que un material es capaz de alcanzar sin desviarse de la relación lineal de la curva tensión-deformación, es decir, sin desarrollar deformación plástica.
Reducción de la superficie - La reducción de área es la diferencia entre el área de la sección transversal original de una probeta de tracción y el área más pequeña en el después de la fractura tras el ensayo.
Cepa - La deformación es la cantidad de cambio en el tamaño o la forma de un material debido a una fuerza.
Punto de rendimiento - El límite elástico es la tensión de un material (normalmente inferior a la tensión máxima alcanzable) a partir de la cual se produce un aumento de la deformación sin que aumente la tensión. Sólo algunos metales tienen un límite elástico.
Límite elástico - El límite elástico es la tensión a la que un material presenta una desviación especificada de una relación lineal tensión-deformación. Para los metales se suele utilizar una desviación de 0,2%.
Resistencia a la tracción - La resistencia última a la tracción, o UTS, es el esfuerzo de tracción máximo que puede soportar un material sin fracturarse. Se calcula dividiendo la carga máxima aplicada durante el ensayo de tracción por el área de la sección transversal original de la muestra.
Aplicaciones típicas
Tracción y compresión propiedades de la materia prima para compararlas con las especificaciones del producto
Obtener datos sobre las propiedades de los materiales para el modelado de elementos finitos u otros diseños de productos para obtener el comportamiento mecánico y el rendimiento de servicio deseados.
Simulación del rendimiento mecánico de los componentes en servicio
Ejemplos de requisitos
Los ensayos estándar de tracción en metales y plásticos se realizan sobre probetas especialmente preparadas. Estas probetas pueden ser muestras cilíndricas mecanizadas o muestras de placa plana (dogbone). Las muestras de ensayo deben tener una relación específica entre longitud y anchura o diámetro en la zona de ensayo (calibre) para producir resultados repetibles y cumplir con la norma método de ensayo requisitos. Los productos tubulares, las fibras y los alambres pueden someterse a ensayos de tracción a tamaño real utilizando dispositivos especiales que favorecen un agarre y una localización de fallos óptimos.
La probeta más utilizada para los ensayos de compresión es un cilindro circular recto con extremos planos. Pueden utilizarse otras formas, pero requieren dispositivos especiales para evitar el pandeo. Las configuraciones especiales para ensayos de componentes o simulaciones de servicio dependen de la máquina de ensayo específica que se vaya a utilizar.
Diferencia entre los equipos de ensayo de tracción y de compresión
En el caso de los ensayos de tracción, la máquina de ensayo ejerce una carga o fuerza de tracción que separa las muestras de ensayo de tracción. En el caso de los ensayos de tracción de plásticos, la muestra de ensayo se separa para medir la resistencia a la tracción y otras propiedades, como la rigidez y el límite elástico. Existen varias normas industriales comunes que proporcionan métodos acordados de ensayos de tracción de plásticos. Las normas ASTM D638 e ISO 527-2 presentan geometrías y dimensiones de muestras de ensayo normalizadas similares pero diferentes. Estos ensayos requieren mordazas de tracción que se espera que agarren la muestra y se ajusten a medida que se adelgaza durante el proceso de ensayo. Estos accesorios son diferentes de los de compresión.
En los ensayos de compresión, la máquina de ensayo ejerce una carga o fuerza de empuje o compresión para aplastar la muestra de ensayo hasta que se rompe o aplasta. Los ensayos de compresión de un material de espuma estructural de polímero están cubiertos por ASTM D1621 que especifica el tipo de platos de compresión y deflectómetro utilizados. La muestra de ensayo se coloca entre platos de ensayo de compresión hasta que la estructura celular falla o se rompe.
Una máquina de ensayo universal puede realizar tanto ensayos de tracción como de compresión. La cruceta puede utilizarse para traccionar o comprimir la muestra de ensayo, que se encuentra entre la placa base y el cabezal móvil.
Los dispositivos de ensayo de tracción, o mordazas, y los sensores de deformación (conocidos como extensómetros), no pueden realizar ensayos de compresión. Además, las mordazas de tracción están especialmente adaptadas para cubrir la geometría y las dimensiones exactas de la probeta. Los platos de ensayo de compresión y el deflectómetro también son capaces de realizar únicamente un ensayo de compresión, por lo que en este caso se necesitan ambos juegos de accesorios.
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