Consideraciones teoricas ensayo de tension
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Consideraciones teoricas ensayo de tension Document Transcript

  • 1. 1 ENSAYO DE TENSION1.1 REQUERIMIENTOS PARA PROBETAS DE TENSIÓN. Las probetas para ensayos de tensiónse hacen en una variedad de formas. La seccióntransversal de la probeta es redonda, cuadrada,o rectangular. Para los metales, si una pieza desuficiente grueso puede obtenerse de tal maneraque pueda ser fácilmente maquinada, se usacomúnmente una probeta redonda; para láminasy placas en almacenamiento usualmente seemplea una probeta plana. La porción central deltramo es usualmente de sección menor que losextremos para provocar que la falla ocurra enuna sección donde los esfuerzos no resulten afectados por los dispositivos de sujeción. Lanomenclatura típica para las probetas de tensión se indica en la Fig. 5.1. El tramo de calibración esel tramo marcado sobre el cual se toman las mediciones de alargamiento o extensómetro. Los extremos de las probetas redondas pueden ser simples, cabeceados, o roscados. Losextremos simples deben ser suficientemente largos para adaptarse a algún tipo de mordazascuneiformes. La relación entre el diámetro o ancho del extremo y el diámetro o ancho de la secciónreducida, es determinada en gran parte por la costumbre, aunque para los materiales quebradizoses importante tener los extremos suficientemente grandes para evitar la falla debida a lacombinación del esfuerzo axial y los esfuerzos debidos a la acción de las mordazas. El efecto delcambio de sección sobre la distribución del esfuerzo, es prácticamente inapreciable a distanciasmayores de más o menos uno o dos diámetros desde el cambio. Para obtener una uniformedistribución del esfuerzo, a través de lassecciones críticas, la porción reducida de lapieza frecuentemente se hace con los ladosparalelos a todo su largo, aunque muchostipos de probetas se hacen con un desviajegradual desde ambos lados de la secciónreducida hasta su tramo central. Las probetasde algunos materiales, son curvas a lo largode toda la porción central de su longitud paraimpedir la ruptura en o cerca de las grapas; en esas probetas el esfuerzo no es uniforme sobre lasección critica; y rodas las dimensiones de la probeta deben normalizarse para obtener resultadoscomparables. Una probeta debe ser simétrica con respecto a un eje longitudinal a toda su longitud, paraevitar la flexión durante la aplicación de la carga. La Fig. 5.2 ilustra los defectos comunes en lapreparación de probetas planas. El tramo de calibración siempre es un poco menor que la distancia entre las cabeceras,pero la práctica con respecto a la relación entre estos dos tramos no es uniforme. Si se han detomar mediciones de extensómetro, se considera deseable que el tramo de calibración sea más
  • 2. corto que la distancia entre las cabeceras; cuando menos el equivalente a dos veces el diámetrode la probeta. Los puntos extremos del tramo calibrado deben ser equidistantes del centro deltramo de la sección reducida. El porcentaje de alargamiento de una probeta de metal dúctil de diámetro dado, dependedel tramo de calibración a lo largo del cual se toman las mediciones. Se ha establecido por mediode muchos ensayos que el alargamiento es prácticamente constante para piezas de variostamaños, si las piezas son geométricamente similares. Para las probetas cilíndricas de metalesdúctiles, la ASTM (ASTM E 8) exige un tramo de calibración de cuatro veces el diámetro. Para lasprobetas mayores de metal ferroso, varías especificaciones de la ASTM (ASTM A 7, A 15) utilizanalgún tramo de calibración y algún grueso o diámetro como base; y el efecto de los diferentesgruesos o diámetros se toma en cuenta por medio de deducciones del alargamiento permisible, deacuerdo con una regla estipulada. La probeta de tensión redonda parametales dúctiles ASTM Estándar mostradaen la Fig. 5.3a frecuentemente se hace de0.505 plg de diámetro para tener un áreaseccional exactamente de 0.200 plg 2.Pueden utilizarse probetas más pequeñas,siempre y cuando el tramo de calibraciónsea de cuatro veces el diámetro de laprobeta. Si se hace un adelgazamiento, ladiferencia de diámetro entre los extremos yel centro del tramo de calibración, no debeexceder de 1 % aproximadamente. Lasprobetas tomadas de placa y seccionesplanas se muestran en las Figs. 5.3b y5.3c. Las ligeras variantes de estos tipos deprobetas pueden encontrarse en variasespecificaciones particulares. La forma de la probeta ASTMEstándar para el hierro fundido se muestraen la Fig. 5.4. se usan tres tamaños, cuyasprincipales dimensiones ,se muestran en lafigura. La probeta ASTM Estándar paramatrices metálicas fundidas es de 0.25 plg de diámetro y lleva una barra de 3 plg de radio y untramo de calibración de 2 plg. Por lo demás, es semejante a la probeta mostrada en la Fig. 5.3a.Las probetas provenientes de barras, varillas o alambres, usualmente tienen el área seccionalcompleta del producto que representan. Cuando resulta práctico, el tramo de calibración debetener cuatro veces el diámetro de la probeta, aunque para tamaños de % plg y menores, se usafrecuentemente un tramo de calibración de 10 plg. Los ensayos de tensíón de cable de alambre serealizan sobre tramos cortados de cable comercial. Los extremos se sujetan en moldes especialesrellenados con cine, que haya sido vertido en estado de derretimiento alrededor de los extremosaplanados del cable.
  • 3. La probeta para ensayo de tensión ASTM Estándar para madera se muestra en la Fig. 5.5. Lasprobetas de mortero de cemento Portland para ensayos de tensión, según las normas ASTM, semuestran en la Fig. 5.6. La forma de una probeta que se usa para materiales eléctricos aislantesmoldeados, se muestra en la Fig. 5.7 (ASTM D 651).1.2 DISPOSITIVOS DE MONTAJE La función de los dispositivos de montaje es transmitir la carga desde los puentes de lamáquina de ensaye hasta la probeta. El requerimiento esencial del dispositivo de montaje es que lacarga sea transmitida axialmente a la probeta; esto implica que los centros de acción de lasmordazas estén alineados al principio y durante el progreso del ensayo, y que no se introduzcaninguna flexión o torsión por la acción, o una falla en la acción de las mordazas. Además, porsupuesto, el dispositivo debe estar adecuadamente diseñado para soportar las cargas y no debeaflojarse durante un ensayo.
  • 4. Las mordazas, ilustradas en la Fig. 5.8, son un tipo común de dispositivo de montaje.Resultan satisfactorias para ensayos comerciales de probetas de metal dúctil de longitudadecuada, porque una ligera flexión o torsión no parece afectar la resistencia y el alargamiento delos materiales dúctiles. No puede hacerse ningún ajuste para impedir la flexión al usar mordazasde esta clase. Las mordazas del tipo de cuña son usualmente satisfactorias para usarse conmateriales quebradizos, porque la acción presionante de las mordazas tiende a causar la falla en ocerca de las mordazas. Las caras de las mordazas que tocan la probeta se hacen ásperas oestriadas para reducir el deslizamiento; para las probetas planas las caras de las mordazas sontambién planas, y para las probetas cilíndricas, las mordazas llevan una ranura en V do tamañoadecuado. El ajuste se hace por medio de tablillas o alineadores, de modo que el eje de la probetacoincida con el centro de los puentes de la máquina de ensaye y las mordazas quedenapropiadamente ubicarlas en la cabecera. Las posiciones correctas e incorrectas de lossujetadores se ilustran en la Fig. 5.9. Un dibujo esquemático de un dispositivo que utiliza cojinetes esféricamente asentados enlos cabezales de la máquina de ensaye, se muestra en la Fig. 5.10 (ASTM E B). Un dispositivopara sujetar adecuadamente probetas delgadas de lámina metálica y alambre se ilustra en la Fig.5.11. Un dispositivo para ensayar alambre se muestra en la Fig. 5.12.
  • 5. El tipo de sujetador usado para ensayos de briquetas de mortero se muestra en la Fig.5.13. Un tipo común de molde para cable de alambre se muestra en la Fig. 5.14. Para ensayar probetas prismáticas de concreto, se pegan placas rígidas de acero a losextremos usando un cemento epóxico. Entonces se aplican cargas tensivas a varillas axiales deacero esféricamente asentadas, conectadas a las placas extremales. Como el cemento epóxico esmás fuerte que el concreto, la falla siempre ocurre en el concreto.Otro tipo de ensayo para determinar la resistencia a la tensión del concreto, es un ensayo detensión por hendido comprendido en la ASTM C 496-62T. como se muestra en la Fig. 5.15 utilizaun cilindro normal de 6” por 12”el cual se carga en compresión a lo largo de las líneas axiales conuna separación de 180 °. La resistencia a la tensión por hendido se computa de α=2P/πld.α=resistencia a la tensión por hendido, lb/plg 2P=carga máxima aplicada, lbl= longiud, plg.d=diámetro, plg.1.3 REALIZACION DEL ENSAYO. En el ensayo comercial de tensión de los metales, las propiedades usualmentedeterminadas son la resistencia a la cedencia, la resistencia a la tensión, la ductilidad y el tipo de lafractura. Para material quebradizo, solamente la resistencia a la tensión y el carácter de la fracturase determinan comúnmente. En ensayos más completos, como en una gran parte de la labor deinvestigación las determinaciones de las relaciones entre esfuerzo y deformación, el modulo deelasticidad y otras propiedades mecánicas, se incluyen.
  • 6. Previamente a la aplicación de cargas a una probeta, sus dimensiones se miden.Ocasionalmente, se puede requerir el peso unitario, requiriendo determinaciones de peso yvolumen. Las mediciones lineales se hacen con báscula, separadores y escala, o micrómetros,dependiendo de la dimensión a determinar y la precisión a alcanzar. En el caso más simple,solamente el diámetro o el ancho y el grueso de la sección crítica se miden. Las dimensionesseccionales transversales de las probetas metálicas deben ordinariamente tomarse con unaprecisión de aproximadamente 0.5%. Excepto para diámetros pequeños y láminas delgadas, lasmediciones hasta 0.001 plg satisfacen este requerimiento. En las probetas cilíndricas, lasmediciones deben hacerse sobre dos diámetros cuando menos, mutuamente perpendiculares. Sobre probetas de metal dúctil-de tamaño ordinario, esto se hace con un punzón decentros; pero sobre láminas delgadas, o material quebradizo, deben usarse rayas finas. Encualquier caso, las marcas deben ser muy ligeras para no dañar el metal, influyendo así en laruptura. Cuando se usa un tramo de calibración de 8 plg en probetas de acero, las marcas sehacen con 1 plg de separación. Antes de usar una máquina de ensaye por primera vez, el operador debe familiarizarsecon la máquina, sus controles, sus velocidades, la acción del mecanismo de carga y el valor de lasgraduaciones del indicador de carga. Antes de poner una probeta en una máquina debecomprobarse que el dispositivo de carga de la máquina dé la indicación de carga cero y se haganlos ajustes si fuere necesario. Cuando se coloca una probeta en una máquina, el dispositivo de sujeción debe revisarsepara cerciorarse de que funcione debidamente. Si se usan topes o guarniciones para impedir quelas mordazas se boten de los dados al ocurrir una falla súbita, los topes deben fijarse en posición.La probeta debe colocarse de tal manera que resulte conveniente para hacer observaciones en laslíneas de calibración. Si se ha de utilizar un extensómetro, el valor de las divisiones del indicador y la relación demultiplicación deben determinarse-entes de colocar el extensómetro sobre la probeta. Debecolocársele centralmente sobre la probeta y alinearse debidamente. Cuando se usanextensómetros del tipo de collares, el eje de la probeta y el del extensómetro deben hacersecoincidir. Después de sujetársele en posición, la barra espaciadora (en caso de existir) se retira ylos ajustes se revisan. Frecuentemente una pequeña carga inicial se coloca sobre la probeta, antesde poner el extensómetro en posición de cero, La velocidad del ensaye no debe ser mayor que aquella a la cual las lecturas de carga yotras pueden tomarse con el grado de exactitud deseado, y si la velocidad de ensaye ejerce unainfluencia apreciable sobre las propiedades del material, el ritmo de deformación de la pieza deensayo debe quedar dentro de límites definidos, aunque los estudios han indicado que pueden serrazonablemente amplios.
  • 7. Varios requerimientos de la ASTM sobre las velocidades de ensaye, se muestran comouna guía general en la Tabla 5.1. MAXIMA VELOCIDAD DEL PUENTE plg/min REFERENCIA VELOCIDAD MATERIAL DE ENSAYE A LA DE LA ASTM Y CARGA A LA CEDENCIA RESISTENCIA ULTIMA Tramo de Máximo de MATERIALES E8 calibracion de 100 Tramo de MECALICOS 0.5 por plg. kips/plg2 a calibracion de PRODUCTOS DE ACERO A 370 la cedencia. 0.062 por plg. 0.125 sobre 15 A 48 HIERRO FUNDIDO GRIS kips/plg2 Velocidad de viaje especificado de mordazas cuneiformes de prspulsión motorizada PLASTICOS D 638 0.05* 0.20-0.25* HULE DURO D 530 HULE SUABE 2.9-3.1 D 412 VULCANIZADO 20 +- 1 lb/seg. MADERA D 143 PARALELAMENTE A LA 0.05 FIBRA PERPENDICULARMENTE 0.10 A LA FIBRA BRIQUETAS DE 600 +- 2.5 MORTERO DE C 190 lb/min CEMENTO Las velocidades mostradas para probetas metálicas son los valores máximos; lasvelocidades pueden ser más bajas y frecuentemente se utilizan. Para ensayos que involucrendeterminaciones del punto de cedencia por medio del descenso de la vigueta, la del indicador decarga, o de separadores, una velocidad de deformación correspondiente a una velocidad de lacruceta, de aproximadamente 0.05 plg/min, probablemente represente una práctica ordinaria,aunque en los ensayos de laminación, las velocidades más altas no son raras. Para ensayos que involucren mediciones extenso métricas la carga se aplica ya sea enincrementos, y la carga y la deformación se leen al final de cada incremento, o se aplicacontinuamente a una velocidad lenta, y la carga y la deformación se observan simultáneamente. Elsegundo método se considera preferible.
  • 8. Dentro del rango elástico, por supuesto, la velocidad de carga puede computarserápidamente de la velocidad de deformación: Un estudio de la práctica, realizado hace algunosaños, indicó que más de un 50 % de los laboratorios involucrados usaban velocidades de carga 2dentro de los límites de 10 a 70 kips* /plg por minuto. Algunos usaban velocidades de carga hasta 2 2de 1 000 kíps /plg por minuto para el acero. Una máxima velocidad de carga de 100 kíps/plg porminuto ha sido sugerida para determinaciones del punto de cedencia de los materiales metálicos(ASTM E 8).Después de que la probeta ha fallado, se le retira de la máquina de ensaye, y si se requierenvalores de alargamiento, los extremos rotos de una probeta se juntan y se mide la distancia entrelos puntos de referencia con una escala o un separador hasta el 0.01 plg más cercano. El diámetrode la sección más pequeña se puede calibrar preferiblemente con, un separador micrométricoequipado con un huso puntiagudo y un yunque o tas, para determinar la reducción del área. Debeemplearse el mismo grado de precisión que se haya usado para medir el diámetro original.1.4 OBSERVACIONES DE ENSAYO La identificación de las marcas y la información similar pertinente se anotan. Lasdimensiones originales y finales, así como las cargas críticas, se registran al observarse. Si lasmediciones extenso métricas se hacen manualmente, se lleva una bitácora de las cargas y lasdeformaciones correspondientes. Algunas máquinas de ensaye están equipadas con un aditamento automático para trazar eldiagrama de esfuerzo y deformación. Se anotan, la característica de la fractura y la presencia dealgunos defectos. También se anotan en las bitácoras las condiciones del ensayo, particularmenteel tipo del equipo usado y la rapidez del ensaye: Las deformaciones, esfuerzos, porcentaje de elongación y reducción del área se calculansobre la base de las dimensiones originales. Una bitácora y un diagrama esfuerzo-deformaciónpreparadas con ellos, se muestran en la Fig. 5.17. La bitácora contiene casi toda la informaciónpertinente de un ensayo de tensión, pero no se supone que sea completa, ya que conceptos talescomo la fecha y los nombres del operador y del registrador, los cuales deben consignarse, no seincluyen. LECTURA ACERO ESFUERZO DEFORMACION LECTURA ESFUERZO DEFORMACION MATERIAL CARCA lb (1) CARACTULA CARGA lb SUAVE pl/plg2 plg/plg. ESCALAR, plg. lb/plg2. plg/plg. plg. (2)MARCA O NUMERO A618 3410 0.002 4330 0.000125 31800 0.10 40400 0.0125LONGITUD TOTAL DE LA PROBETA, plg. 18.5 6450 0.004 8200 0.00025 37200 0.20 47300 0.0250LONGITUD DE CABECERA, plg 11.2 9160 0.006 11640 0.000375 41400 0.30 52600 0.0375TRAMO DE CALIBRACION, plg. 8.00 12370 0.008 15720 0.000500 47200 0.50 60000 0.0625DIAMETRO DE LOS EXTREMOS, plg. 1.25 14830 0.010 18860 0.000625 50200 0.70 63800 0.0875DIAMETRO DE LA SECCION REDUCIDA, plg. 1.001 18200 0.012 22900 0.000750 52200 0.90 66300 0.1125ALARGAMIENTO EN 8 plg, plg. 2.5 20780 0.014 26400 0.000875 53100 1.10 67500 0.1375DIAMETRO DE LA SECCION RUPTURADA, plg. 0.613 23640 0.016 30000 0.001000 53400 1.30 67900 0.1625VELOCIDAD DE LA DEFORMACION DE CEDENCIA 0.05 26370 0.018 33500 0.001125 53500 1.50 68000 0.1875MAQUINA, plg/min DEPUES DE LA CEDENCIA 0.2 29250 0.02 37200 0.00125 53300 1.70 67700 0.2125Notas: 31600 0.022 40200 0.001375 53300 1.90 67300 0.2375(1) Máquina Olsen de 60.000 lb (no 12) 31710 0.023 40300 0.00144 52000 2.10 66100 0.2625(2) Estensiómetro caratular federal con 31520 0.024 40000 0.00150 38800 2.50 49300 0.3125miltiplicador de 2 (no 61) 31390 0.030 39900 0.00188 RUPTURA (3)(3) Fractura de cono y cráter de tres cuartos de 31100 0.040 39500 0.00250grno fino al centro, sedoso en el borde 31630 0.050 40200 0.00312Alargamiento en cada pulgada 31650 0.075 40200 0.00469.20, .22, .25, .35, .78, .27, .23, .20 31700 0.100 40300 0.00625
  • 9. El alargamiento es el aumento en el tramo de calibración original. Tanto el porcentaje deaumento como el tramo de calibración original se consignan. En los metales dúctiles, si la rupturaocurre cerca de un extremo del tramo de calibración, algunos de los efectos del alargamiento o laestrucción se extenderán más allá del tramo de calibración. De ahí que, cuando la ruptura ocurrefuera del tercio medio, las especificaciones frecuentemente requerirán un nuevo ensayo ocomprobación, aunque un método aproximado para obtener el alargamiento puede usarse como semuestra en la Fig. 5.18. Las fracturas por tensión pueden clasificarse en cuanto a forma, textura, y color. Los tiposde fractura en lo respectivo a la forma; son simétricos: cono y cráter, planos e irregulares. Variasdescripciones de la textura son: sedosa, grano fino, grano grueso o granular, fibrosa o astillable,cristalina, vidriosa y mate. Ciertos materiales se identifican efectivamente por sus fracturas. Elacero suave en forma de una probeta cilíndrica normal usualmente presentan un tipo de fractura decono y cráter de textura sedosa. El hierro forjado presenta una fractura dentada y fibrosa, mientrasque la fractura típica del hierro fundido es gris, plana y granular.
  • 10. La carga no axial causará tiposasimétricos. La falta de simetría puedetambién ser causada por la heterogeneidaddel material o un defecto o una falla dealguna clase, tal como la segregación, unaburbuja, o una inclusión de materia extraña,como la escoria. Sobre la superficiefracturada del material que haya sidotrabajado en frío o pasea una condición deesfuerzo interno, debida a ciertostratamientos térmicos, frecuentementeexiste una apariencia de rayos o vetas queirradian de algún punto cercano al centro de la sección; ésta ocasionalmente es denominada"fractura en estrella". Una descripción de la fractura debe incluirse en cada informe de ensayo, auncuando su valor sea incidental para las fracturas normales.1.5 EFECTO DE LAS VARIABLES IMPORTANTES. Como se ha señalado repetidamente, las condiciones de ensayo y la condición del materialen el momento del ensayo tienen una influencia muy importante sobre los resultados. Los informesde las investigaciones para determinar tales efectos comprenden una vasta literatura que cubremuchos años. Un objeto de muchas de esas investigaciones es evaluar los efectos de lascondiciones de ensayo con la (nueva) mira de elegir un procedimiento normal que arroje resultadosque posean una variabilidad mínima con una fracturación razonable de las condiciones de ensayo;otro objeto consiste en desarrollar una base para proyectar los resultados de los ensayosrealizados bajo condiciones dadas hacia el comportamiento probable bajo algunas otrascondiciones. El alargamiento total de un metal dúctil en el punto de ruptura se debe al alargamientoplástico, el cual está más o menos uniformemente distribuido a lo largo del tramo de calibración,sobre el que se superpone un estiramiento de la sección restringida, lo cual ocurre justamenteantes de la ruptura. El requerimiento de la similaridad geométrica de las piezas de ensayo para alargamientoscomparables, fue consignado por primera vez por J. Barba en 1880 y frecuentemente esdenominado ley de Barba. Si las cabeceras de una barra de ensayo están demasiado juntas, si lapieza está ranurada o estirada transversalmente o contiene agujeros, o si los lados de la probetason curvos, la resistencia y la ductilidad de la pieza pueden resultar apreciablemente afectadas.Para una serie de probetas de metal dúctil que se agrandan bruscamente en los extremos deltramo de calibración. Para valores mayores de 2, la reducción del área es independiente pero paravalores más bajos se reduce porque los extremos agrandados proveen restricción lateral contra lareducción de área. En el caso extremo la curva de alargamiento no continúa bruscamente haciaarriba y a la izquierda también baja hasta cero debido a la misma restricción.