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PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA CALI
GUÍA DE LABORATORIO
REHABILITACION DE ESTRUCTURAS
MAESTRÍA EN INGENIERÍA CIVIL
ENSAYO DE TENSIÓN EN METALES
Introducción
El ensayo de tensión se realiza para determinar el esfuerzo de fluencia, el módulo de
elasticidad, la ductilidad y la tenacidad del acero.
Se sujeta probeta de acero entre las mordazas de la máquina universal y se carga a
tensión hasta que ocurre la fractura.
La probeta se marca entre dos puntos de calibración. La distancia entre estos puntos
se llama longitud calibrada Lo, depende del tamaño de la probeta. Los resultados del
ensayo se registran en la curva esfuerzo-deformación.
Se utiliza el esfuerzo de ingeniería o nominal y deformación nominal o de ingeniería.
Se define como la carga dividida entre el área de la sección transversal original de la
probeta
F= T/Ao
T es la carga de tensión axial aplicada
Ao es el área de sección transversal
F esfuerzo de tensión axial
La deformación se define como el alargamiento de la probeta sobre la longitud
calibrada. Esto es,
δ = L-Lo/Lo = δ/Lo
Lo es la longitud calibrada original en pulg,
L es la distancia en pulgadas entre las marcas de calibre después de aplicar la carga T,
δ: alargamiento
Curva Esfuerzo-Deformación o de Ingeniería
Las propiedades esfuerzo-deformación del acero se obtienen usando una probeta bajo
una carga de tensión P aplicada en sus extremos y midiendo el alargamiento de una de
la longitud original Lo, de acuerdo a la norma ASTM E8-01. A continuación se
describe la curva:
Punto A: Límite proporcional, al descargar el material vuelve a su estado inicial
Pendiente OA: Módulo de elasticidad E (Ley de Hooke σ = Eε )
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Tramo AB: Zona de fluencia, se incrementa la deformación sin incremento de
esfuerzo (comportamiento plástico)
Tramo BC: Endurecimiento por deformación, hay cambios en la estructura cristalina
del material.
Tramo CD: Se reduce la resistencia y aumenta la deformación. Aquí ocurre la
Estricción o Disminución del área y por lo tanto la carga que puede soportar, aunque
el material soporta un incremento de esfuerzo.
Resistencia a la fluencia: Carga para producir fluencia
Figura 1 Ensayo de tensión
Fuente Norma ASTM E8-01
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Resistencia última: Carga máxima que puede soportar, carga de falla
Esfuerzo de fluencia Fy
Esfuerzo último Fu
Valores típicos de deformación:
εy =
σy
E
≈ 0.001 – 0.002 (0.01% – 0.20%)
ε SH ≈ 0.01 – 0.03 (1% – 3%)
ε u ≈ 0.10 – 0.20 (10% – 20%)
ε fractura ≡ % Elongación ≈ 0.20 – 0.30 (20% – 30%)
Al aumentar Fy la ductilidad, la soldabilidad, la relación Fu/Fy y el tamaño de la
plataforma de fluencia se reducen.
Se presenta un pico en la curva inmediatamente después del límite de
proporcionalidad, que corresponde al esfuerzo Superior de Fluencia Fyu. Al
incrementar levemente la deformación el esfuerzo cae al esfuerzo de Fluencia Inferior
Fyl, después el esfuerzo sigue a un nivel promedio Fy.
La resistencia del material depende de la velocidad del ensayo ASTM permite una
velocidad de 0.001 l/seg. para la verificación de la resistencia del material producido.
Entre mayor velocidad mayor resistencia, que puede aumentar hasta en 10%. Si la
velocidad es mayor de cero se le conoce como Esfuerzo de Fluencia Dinámico, si la
velocidad es lenta se llama Esfuerzo de Fluencia Estático.
Módulo de elasticidad
El módulo de elasticidad es la pendiente de la curva esfuerzo-deformación de la
región elástica. El módulo de elasticidad se relaciona con la fuerza de atracción entre
átomos adyacentes. Para los átomos del hierro, esta fuerza tiene un valor definido.
Como el hierro es aproximadamente el 99% de la composición de los aceros
estructurales, por eso el módulo de elasticidad E es prácticamente constante. E
=Modulo elástico = 200 GPa = 29.000 ksi
Esfuerzo de fluencia, Fy
El AISC LRFD ha definido el término esfuerzo de fluencia como el punto de fluencia
y la resistencia a la fluencia
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Fy se utiliza para designar el esfuerzo de fluencia. Los aceros estructurales tienen
esfuerzos de fluencia de 32 ksi a 150 ksi.
La fluencia para aceros de alta resistencia no tiene un punto definido, se calcula por el
método del corrimiento para una deformación de 0.002 o 0.2%.
Módulo de endurecimiento por deformación, Esh
Es la pendiente o la tangente a la curva esfuerzo – deformación después de la zona
plástica, en la zona de endurecimiento por deformación. Representa la rigidez del
material en el intervalo inelástico.
La curva esfuerzo-deformación del acero en tensión muestra una plataforma de
fluencia durante la cual la rigidez tangente (pendiente de la curva) es igual a cero. El
acero está compuesto de cristales, los cuales a llegar al límite elástico se empiezan a
deslizar unos con respecto a otros en planos orientados a 45 grados de la dirección de
la deformación.
En el lugar exacto de cada plano de deslizamiento, el material pasa
deformación εy a εsh.
de una
Esh = E/30 a E/100 es la rigidez al inicio del endurecimiento por deformación.
Ductilidad.
Ductilidad es la capacidad de un material para ser sometido a gran deformación sin
quebrarse, para soportar grandes deformaciones inelásticas sin una pérdida
significativa de resistencia. Se mide por medio del porcentaje de elongación.
En diseño se puede usar un esfuerzo de fluencia promedio y evitar las
concentraciones de esfuerzos. Una medida de la ductilidad es el porcentaje de
elongación de la longitud calibrada. Se calcula como:
Porcentaje de elongación δ = Lf-Lo/Lo*100
Lf: distancia final entre las marcas calibradas.
Lo: longitud calibrada original.
Relación de Poisson, ν
Para esfuerzos dentro del rango elástico, la razón de las deformaciones en direcciones
transversal y longitudinal es una constante conocida como la razón de Poisson.
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εt: Deformación transversal
εl: Deformación longitudinal.
Tenacidad.
Es la capacidad del material para resistir fracturas frágiles. Se mide con el ensayo
impacto (Charpy V -notch). La tenacidad es importante bajo cargas de Impacto o
fatiga, T cuando la temperatura es muy baja. El ensayo de Charpy consiste en aplicar
una carga de impacto a una probeta dejando caer martillo en forma de péndulo. La
energía necesaria para romper el espécimen se halla usando la diferencia de energía
potencial gravitacional entre la posición inicial y final de la masa.
PARTE EXPERIMENTAL
Teniendo claro lo anterior, esta guía de laboratorio será útil a los estudiantes para realizar
un ensayo de tensión de la siguiente manera: primero, escogerán una muestra o probeta con
medidas estandarizadas, la cual se coloca en la máquina universal y se sujeta por medio de
mordazas; y segundo, la muestra se someterá a una carga uniaxial a lo largo de su eje
longitudinal a velocidad constante. Dicha carga de tensión tenderá a elongar el material y a
reducir su diámetro. Al mismo tiempo, por medio de un extensómetro se medirá la
elongación resultante (Figura 1). Este ensayo de tensión normalmente dura unos minutos y
es destructivo porque la probeta se deforma permanentemente hasta la fractura.
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Figura 1. Esquema general del ensayo de tensión, [2].
Es necesario decir que la muestra tiene inicialmente una longitud calibrada Lo=50 mm que
corresponde a la distancia entre las marcas de calibración y un área Ao medida en la sección
transversal de la probeta. Los valores de carga y cambio de longitud registrados en el
ensayo son utilizados para determinar las relaciones esfuerzo-deformación.
Condiciones del ensayo
1- La muestra debe estar alineada lo más perfectamente posible en la dirección de
tracción para que no movimiento de rotación induzca deslizamiento en las
mordazas.
2- Las estrías deben mantenerse limpias y afiladas. La muestra puede romperse a
veces a nivel de las mordazas. Si es el caso, hay que realizar otro ensayo.
3- Todas las superficies de la muestra deben estar libre de defectos, arañazos, o
imperfecciones.
Objetivo
• Determinar diferentes propiedades mecánicas mediante la aplicación del ensayo de
tensión a distintos materiales poliméricos.
Materiales y equipos
• Máquina universal para ensayos mecánicos Time Group Inc. De 100 Tn
• Sofware Smart Test
• Muestras de diferentes diámetros de barras
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Metodología
1. Los estudiantes deben haber consultado acerca del ensayo de tensión, las
propiedades a obtener en el ensayo
2. Cada grupo de estudiantes escogerá una probeta de distinto diámetro con sus
respectivas medidas estándar. (Según norma ASTM E8).
3. Realización del ensayo de tensión en la maquina universal:
• Prender la máquina universal
• Mediante el software Smart Test, se configura el método para la realización
del ensayo de tensión, en él se incluyen dimensiones de las muestras
(diámetro, longitud), velocidad del ensayo, tipo de gráfico, entre otros
parámetros.
• Después se sujeta la muestra a la mordaza inferior y superior; se calibra la
celda de carga, se pone el extensómetro en la muestra de tal manera que la
distancia a tomar en cuenta como longitud inicial corresponda a 2 pulgadas o
50 mm y, se calibra el extensómetro, por último, y se da iniciar ensayo.
• Observar el comportamiento del material frente al ensayo de tensión,
cambios presentados en la muestra, entre otros.
• Se retira la probeta ensayada.
4. Realizar el informe que contenga:
Tipo de acero
Velocidad del ensayo (mm/min)
Valores a calcular
50
E
σy, εy (punto de fluencia)
σrot, εrot
2
E
σrot, εrot
Gráfico de esfuerzo (σ) vs deformación (ε).
El módulo de elasticidad
El esfuerzo y deformación al punto de fluencia límite superior e inferior
El esfuerzo y deformación a la rotura
Módulo Esh, εy, εsh, εu, fy, fu, módulo de resiliencia, tenacidad, energía de
deformación U y densidad de energía de deformación hasta la falla.
o Comparar los valores calculados con los dados en las fichas técnicas. Explicar las
diferencias.
o Investigue cual sería el efecto de realizar este ensayo a una temperatura superior a
la temperatura ambiente.
o Conclusiones y observaciones.
o
o
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Bibliografía
• [2] Groover, M. Fundamentos de manufactura moderna. Prentice Hall. 1996.
• Askeland, D. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. International Thomson
Editores. 3 edición. 1998.
• [1] Gérard, J.F.Travaux pratiques 3 SGM. INSA Lyon. 2008.
• ASTM D 638: Determinación de propiedades mecánicas en tensión para plásticos.
• ASTM D 412: Método de ensayo para tensión de cauchos vulcanizados y
elastómeros termoplásticos.
• ASTM D 882: Determinación de propiedades mecánicas en tensión para películas.
• IRAM 113004 Caucho vulcanizado y elastómeros termoplásticos. Ensayo de
tracción.
• IRAM 13316 Plásticos. Ensayo de tracción.
• NMX-E-082-SCFI-2002- RESISTENCIA A LA TENSIÓN DE MATERIALES
PLÁSTICOS - MÉTODO DE ENSAYO.
• NTC 4287 - MATERIALES METALICOS. ENSAYO DE TENSION.
CALIBRACION DE LOS EXTENSIOMETROS UTILIZADOS EN ENSAYOS
UNIAXIALES.
• NTC 2 - SIDERURGIA. ENSAYO DE TRACCION PARA MATERIALES
METALICOS. METODO DE ENSAYO A TEMPERATURA AMBIENTE.
• NTC
444
CAUCHO
VULCANIZADO
Y
ELASTOMEROS
TERMOPLASTICOS. DETERMINACION DE LAS PROPIEDADES DE
TENSION
• NTC 595 - METODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADES
DE TENSION EN PLASTICOS.
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