Ensayo de tracción y compresión

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  • 1. ENSAYO DE TRACCIÓN YCOMPRESIÓNMag. MANUEL DE LA CRUZ VILCA2011
  • 2. Relación entre tensión ydeformaciónINDICE El Ensayo de Tracción. Relación experimental entreTensión y Deformación. Ley de Hooke. Descripción del Diagrama Esfuezo-Deformación.
  • 3. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónDado que deformación ytensión son causa y efecto, esde esperar que los vectorestensión y deformaciónunitaria estén relacionadosentre sí.
  • 4. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónFijada la solicitación exterior esevidente que la deformación que seorigina y, en consecuencia, la tensióncreada en el sólido elástico dependende las fuerzas de atracciónmolecular, es decir, de la estructuracristalina del material.
  • 5. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónSe deduce, por tanto, que para obtener larelación entre tensión y deformacióntendremos que proceder necesariamentepor vía experimental mediante ensayosrealizados en el laboratorio, en donde secomprueba, en efecto, que para dos piezasde distintos materiales, de igualesdimensiones y sometidas al mismo estadode cargas, las deformaciones son distintas.
  • 6. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónCon objeto de ir fijando las ideasveamos en que consiste el Ensayo deTracción, tomando, a modo deejemplo, un material como el acerodulce, de notables aplicaciones en lapráctica.
  • 7. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónSe realiza este ensayosometiendo una pieza recta dedimensiones normalizadasllamada probeta, a una fuerza detracción que se aumentagradualmente hasta la rotura.
  • 8. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónEn la probeta se realizanpreviamente dos marcas, quedeterminan una longitud denominadadistancia entre puntos, sobre las quese efectúa, por medio de unextensómetro, la medida de losalargamientos.
  • 9. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónConsideremos una probeta de secciónA a la que aplicamos en sus extremosuna fuerza F en dirección axial.
  • 10. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónEsta fuerza causa en el interior delmaterial un estado de tensiones quesupondremos uniforme paracualquier sección recta.
  • 11. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónLa tensión normal está relacionada conla fuerza F mediante la ecuación:AF
  • 12. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónLa probeta, debido al esfuerzo,se alarga.Llamemos al alargamientounitario en el sentidolongitudinal.
  • 13. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónAumentando progresivamente elvalor de F y llevando los valores dey a un gráfico cuyo eje deordenadas mida tensiones ( ) y el deabscisas deformaciones unitarias( ), se obtiene para el acero dulce elDiagrama Tensión-Deformación.
  • 14. Descripción del diagramaesfuerzo-deformación
  • 15. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónHasta un punto fsque se llama límitede fluencia losalargamientos sonpequeños pero alllegar a él aumentanconsiderablementesin necesidad deaumentar la fuerzaF.
  • 16. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónPara cierto tipo demateriales la fuerzadisminuye hasta unvalor determinado porel punto fi, denominadolímite inferior defluencia (en este caso fsse llama límite superiorde fluencia).
  • 17. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónAlcanzado el límite de fluencia al seguiraumentado la fluencia sobre la probeta, lacurva es creciente hasta un valor máximocuya tensión correspondiente se llamaresistencia a la tracción o tensión derotura, a pesar de que ésta se produzcainstantes después, cuando el material sufreun alargamiento en una parte pequeña dela probeta.
  • 18. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónSe forma una pequeña garganta ohuso, reduciéndose rápidamente lasección transversal; la deformaciónplástica, que se reparte en unprincipio a lo largo de toda laprobeta, se concentra en una zonaoriginando la estricción, el esfuerzodisminuye y la probeta se rompe.
  • 19. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónPara el acero dulce la tensión derotura vale de 4.000 a 5.000kp/cm2.Realmente esto no acontececomo se ha indicado.
  • 20. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónCuando hemos hablado de que se haalcanzado un valor determinado de latensión, se ha calculado ésta dividiendo lafuerza F ejercida por la sección inicial quetenía la probeta, pero esta sección ha idodisminuyendo lo que hace que el valorindicado en la gráfica sea un valor erróneopor defecto que irá aumentando con lasdeformaciones.
  • 21. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónEsto hace que la gráfica obtenidasea falsa, sin embargo es la queutilizamos en la práctica dado lolaborioso que sería tener encuenta continuamente en el valorde la tensión las variaciones de lasección.
  • 22. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónLa determinación dellímite de elasticidades, en general, bastantedifícil por lo que en lapráctica se tomo comoeste límite el punto fsque se denominaentonces límiteaparente de elasticidad.
  • 23. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónSin embargo, el tomareste punto como límitede elasticidad puedetraer consigo que sepueda romper elmaterial sin necesidadde llegar a la tensión derotura.
  • 24. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónEn efecto, si hacemosdesaparecer la cargaF cuando la tensión1 pertenece a lazona elástico-plástica, queda unadeformaciónpermanente A.
  • 25. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónSi aplicamosnuevamente unesfuerzo hastaconseguir la mismatensión anterior 1 seobserva que elalargamiento 2 esconsiderablementesuperior al 1, y lascosas ocurren como seindica en la Figura.
  • 26. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónSi cesa la fuerzacausante de ladeformación semantiene unadeformaciónpermanente Bque, como se ve,es notoriamentemayor que A.
  • 27. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónAl hacer elproceso reiterativovemos que en unade las operacionesde someter laprobeta a latensión σ1, serompe sin llegar aeste valor.
  • 28. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónSe deduce que sinnecesidad de aplicar unatensión que llegue a r niaún que pertenezca a lazona plástica, se puedeconseguir la rotura de unmaterial por aplicacionessucesivas de un esfuerzoque produzca simplementeuna pequeña deformaciónpermanente.
  • 29. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónEl límite elástico(punto b) es elmáximo esfuerzoque se puedealcanzar sin quese produzcandeformacionespermanentes enla probeta aldescargarla.
  • 30. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónPara tener en cuenta laprecisión de losensayos, normalmente,se admite como límiteelástico el esfuerzo alque corresponde unadeformaciónpermanentecomprendida entre el0,001% y el 0,005%.
  • 31. Descripción del diagramaesfuerzo-deformación
  • 32. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónLas importantesdeformaciones queexperimenta laprobeta en la zona defluencia, producen apartir del punto d unaumento de laresistencia delmaterial conocidapor acritud.
  • 33. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónEsta propiedad haceque sea precisoincrementar de nuevola carga para que lasdeformacionescontinúen, hasta llegaral punto e en que lacarga alcanza su valormáximo al quecorresponde elmáximo esfuerzoR, o esfuerzo derotura.
  • 34. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónHasta llegar al puntod la probeta se haalargadouniformemente entoda su longitud yeste alargamientouniforme ha idoacompañando de unacontracción lateraltambién uniforme.
  • 35. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónSin embargo, apartir del punto d, elalargamiento y lacontracción lateralse localizan en lasproximidades de unasección de laprobeta en la queposteriormente seproducirá la rotura.
  • 36. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónEste fenómenoconocido porestricción, semanifiesta deforma pocodestacada en ungran número demateriales.
  • 37. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónUna vez alcanzado el punto edel diagrama la rotura de laprobeta es irreversible, ya queaunque se disminuya la carga Fy, por tanto, se disminuyan losesfuerzos = F/Ao, la probetaexperimenta deformacionescada vez mayores hastaromperse, cuando lasdeformaciones alcanzan en elpunto f su máximo valor odeformación de rotura R.
  • 38. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónEllo se debe a quea partir del punto eel debilitamientoproducido por laestricción supera alaumento deresistencia de laacritud.
  • 39. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónEl tramo final d-fdel diagrama en elque se producenlas grandesdeformaciones dela probetaconstituye la zonaplástica.
  • 40. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónSupongamos quese descargagradualmente unaprobeta desde unpunto k, situadofuera de la zonaelástica de undiagrama deensayos detracción.
  • 41. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónDurante ladescarga, el diagramaesfuerzos-deformaciones siguela recta kl, paralela aOa, hasta el punto lque determina ladeformaciónpermanente, igual aOl.
  • 42. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónSi de nuevo sevolviera a cargar lamisma probeta, eldiagrama esfuerzos-deformacionesestaría representadopor el tramo rectoinicial lk y la curvakef.
  • 43. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónEl diagramaesfuerzos-deformacionesrepresenta losesfuerzos reales enla probetaúnicamentemientras lasdeformaciones sonpequeñas.
  • 44. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónCuando las deformacionesson elevadas, para tener encuenta la reducción de lasección transversal de laprobeta, los esfuerzos realesse obtienen multiplicando lasordenadas del diagramaesfuerzos-deformaciones porla relación Ao/A entre el áreaAo de la sección transversalinicial y el área A que encada momento del ensayotiene la sección transversalcentral de la probeta.
  • 45. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónDe esta forma se halla lacurva Oabcd’e’f’, querepresenta el diagrama realesfuerzos-deformaciones, enel que puede observarse queaunque la carga F disminuyea partir del punto e, losesfuerzos reales aumentanhasta alcanzar su máximovalor cuando la probeta serompe.
  • 46. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónLos diagramas esfuerzos-deformacionesconsiderados hasta ahoracorresponden a materialesdúctiles como elacero, el aluminio y elcobre, que se caracterizanpor una rotura precedidade grandesdeformaciones.
  • 47. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónExisten otros materialescomo la fundición, elhormigón y el vidrio, paralos cuales los diagramasesfuerzos-deformaciones nopresentan una zona defluencia definida, por lo queen estos materiales se tomaconvencionalmente comoesfuerzo de fluencia elesfuerzo al que correspondeuna deformación permanenteigual al 0,2%.
  • 48. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónEn estos materialesllamadosfrágiles, la roturaaparecebruscamente sinprevio aviso, lo quees un graveinconveniente paralas estructuras.
  • 49. Ensayo de Compresión
  • 50. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónEn ensayo decompresión se realizacolocando unaprobeta cilíndrica oprismática entre losplatos de una prensa.
  • 51. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónLos materialesdúctiles y losmateriales frágiles secomportan tambiéndiferentemente en losensayos decompresión.
  • 52. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónEn efecto, el diagramaesfuerzos-deformacionespara los materialesfrágiles tiene las mismasparticularidades en unensayo de compresiónque en un ensayo detracción.
  • 53. Descripción del diagramaesfuerzo-deformaciónPor el contrario, en losmateriales dúctiles losresultados de un ensayo decompresión dependenconsiderablemente de lasdimensiones de lasprobetas, pudiendo noalcanzarse la rotura acompresión en probetaspoco esbeltas.
  • 54. Procedimiento de realizacióndel Ensayo de Tracción
  • 55. Realización práctica delensayo de tracciónAl resolver los problemas mássimples de tracción ycompresión, nos encontramos ya conla necesidad de tener ciertos datosexperimentales previos sobre loscuales se pueda basar la teoría eintroducir así ciertasgeneralizaciones en el análisis deestructuras concretas.
  • 56. Realización práctica delensayo de tracciónEntre estos datosexperimentales seencuentra, ante todo, la Leyde Hooke que ya conocemos.
  • 57. Realización práctica delensayo de tracciónLas características básicas de losmateriales en este caso son elmódulo de elasticidad, E, y elcoeficiente de Poisson, µ. Claro, queestas magnitudes dependen de laspropiedades del material.
  • 58. Realización práctica delensayo de tracciónE y µ dependen, antetodo, del tipo de materialy, en cierta medida, de lascondiciones de tratamientotérmico y mecánico.
  • 59. Realización práctica delensayo de tracciónPara la solución de losproblemas prácticos esindispensable tener también lascaracterísticas numéricas de laspropiedades de resistencia delmaterial.
  • 60. Realización práctica delensayo de tracciónAl estudiar los procesos dedoblado y estampado senecesitan ciertos exponentes quecaracterizan la capacidad delmaterial de deformarseplásticamente.
  • 61. Realización práctica delensayo de tracciónEn toda una serie de casos serequieren datos sobre lacapacidad del material deresistir las temperaturasaltas, de trabajar con cargasvariables, etc.
  • 62. Realización práctica delensayo de tracciónDe acuerdo con lo expuesto, serealizan diversos tipos deensayos, siendo los principales y másdifundidos los ensayos a tracción ycompresión.Con estos ensayos, se obtienen lascaracterísticas principales de losmateriales.
  • 63. Realización práctica delensayo de tracciónPara los ensayos a tracción seemplean probetas especialesque en su mayor parte setornean en barras o se hacende láminas.
  • 64. Realización práctica delensayo de tracciónLa particularidad esencial de lasprobetas es la existencia de lugaresreforzados que sirven para fijarlas yde una variación paulatina de lasección hacia la parte detrabajo, relativamente más estrecha ydebilitada.
  • 65. Realización práctica delensayo de tracciónEn la figura se muestran algunostipos de probetas.
  • 66. Realización práctica delensayo de tracciónLa longitud de la parte detrabajo, ltrab es generalmente 15veces superior al diámetro, d.
  • 67. Realización práctica delensayo de tracciónAl medir las deformaciones, se usasolamente la parte de esta longitudque no supera los 10 centímetros.
  • 68. Realización práctica delensayo de tracciónExisten al mismo tiempo probetasmás cortas, para las cuales ltrab/d noes mayor que 5.
  • 69. Realización práctica delensayo de tracciónEn el caso de sección transversalrectangular, se escoge como característicaque determina la longitud de trabajo, l, eldiámetro del círculo equivalente, d.
  • 70. Realización práctica delensayo de tracciónEn el ensayo se emplean probetas de dimensionesnormalizadas, aunque en ocasiones se requierenprobetas que tiene que diseñar el que ejecuta elensayo.Las probetas de metales suelen ser cilíndricascuando el material es forjado, fundido, en planchade gran espesor, en barra o en redondoslaminados.Se utilizan probetas prismáticas cuando elmaterial se encuentra en planchas de espesormedio o bajo.
  • 71. Realización práctica delensayo de tracción
  • 72. Realización práctica delensayo de tracciónLas probetas suelen tener una parte centralcalibrada, que se ensancha en los extremospara sujetarse a la máquina de tracción.El hecho de que las probetas esténnormalizadas permite hacer un estudioigual para cada material a nivelmundial, con lo que se obtienen resultadosestandarizados que son de aplicaciónuniversal.
  • 73. Realización práctica delensayo de tracciónLa norma que regula el ensayo de tracciónes la UNE7-474, mientras que las normasque afectan a los tipos de probetas y sustolerancias se resumen a continuación:– UNE 7282: Preparación de las probetas.– UNE 7262-73: Tolerancias delmecanizado de las probetas.– UNE 7010: Da algunas medidasrecomendables para las probetas (So =150 mm2; D = 13,8 mm; lo = 100 mm).
  • 74. Realización práctica delensayo de tracciónEn los ensayos a compresión se empleanprobetas cilíndricas cortas, cuya altura esmayor que las dimensiones de la secciónen menos de dos veces.En el caso de gran altura, la compresión dela probeta va acompañada, como reglageneral, de un pandeo que influye sobrelos resultados de los ensayos.
  • 75. Realización práctica delensayo de tracción
  • 76. Realización práctica delensayo de tracciónLas dimensiones absolutas de las probetas, tantoen los ensayos a tracción como acompresión, dependen de la potencia1 de quedisponen las máquinas y de las dimensiones de lapieza bruta de la cual se preparan las probetas.– 1Cuando se habla de la potencia de unamáquina de ensayo o de una prensa, se tieneen cuenta, no el trabajo que realiza por unidadde tiempo, sino la fuerza máxima que es capazde desarrollar la máquina.
  • 77. Realización práctica delensayo de tracciónEn ensayo a tracción o compresión serealiza en máquinas especiales, donde lafuerza se crea, o bien por un peso queactúa sobre la probeta mediante un sistemade palancas, o por medio de la presiónhidráulica transmitida al émbolo.En el primer caso la máquina se llama depalanca y en el segundo hidráulica.
  • 78. Realización práctica delensayo de tracciónMáquina de ensayo de palanca
  • 79. Realización práctica delensayo de tracciónDel tornillo sin fin 1, a mano o con mandoeléctrico, gira la rueda dentada 2 quedesplaza hacia abajo el tornillo de fuerza 3.
  • 80. Realización práctica delensayo de tracciónEn la probeta 4 aparece de esta manera unesfuerzo que a través de las palancas 5, 6 y 7 seequilibra con el peso de la carga P en el brazo a.
  • 81. Realización práctica delensayo de tracciónEn la palanca 7 existe una graduación enunidades de fuerza aplicada a la probeta.
  • 82. Realización práctica delensayo de tracciónEl desplazamiento del peso sobre la palancapuede realizarse no solamente a mano, sinotambién automáticamente.
  • 83. Realización práctica delensayo de tracciónMáquina hidráulica de ensayo de tipo universal
  • 84. Realización práctica delensayo de tracciónUna máquinahidráulica deensayo de tipouniversal estádiseñada para losensayos atracción y acompresión.
  • 85. Realización práctica delensayo de tracciónEn el espaciointerior del cilindro1, mediante labomba 2, apresión, seintroduce elaceite, elevándoseasí el émbolo 3.
  • 86. Realización práctica delensayo de tracciónEn el émbolo seinstala el pórtico4, cuya partesuperior tiene uncierre que fija laprobeta 5 que seensaya a tracción.
  • 87. Realización práctica delensayo de tracciónEn el caso decompresión, laprobeta se instalasobre la parteinferior de laplataforma.
  • 88. Realización práctica delensayo de tracciónEn la figura, laprobeta para elensayo acompresión estádibujada con lalínea punteada y vaseñalada con lacifra 6.El pórtico 10 esinmóvil.
  • 89. Realización práctica delensayo de tracciónEn la figura, suplanoconvencionalmente se hace coincidircon el del dibujo yel del pórtico 4.
  • 90. Realización práctica delensayo de tracciónEl esfuerzo semide con unmanómetro 7,cuya escala indicala fuerza que actúasobre la probeta.
  • 91. Realización práctica delensayo de tracciónAl terminar elensayo, elaceite, bajo lapresión del pórtico4, se desplaza porla llave 8 hacia elrecipiente de aceite9.
  • 92. Realización práctica delensayo de tracciónLa potencia de las máquinas de ensayovaría entre algunos gramos (para el ensayode fibras e hilos) a cientos de toneladas(para los ensayos de estructuras grandes).Las máquinas de pequeña potencia (hastauna tonelada) se hacen generalmente deltipo de palanca.Para mayores potencias es preferible elprincipio hidráulico.
  • 93. Realización práctica delensayo de tracciónDurante los ensayos a tracción, la probeta se fijaen los cierres de la máquina, o mediante cuñasque aprietan automáticamente la probeta (a), omediante casquillos partidos (b).
  • 94. Realización práctica delensayo de tracciónLos cierres en las máquinas sediseñan de tal manera queexcluyan la inclinación de laprobeta y garanticen, dentro delo posible, la transmisión centraldel esfuerzo sin flexiónsuplementaria.
  • 95. Realización práctica delensayo de tracciónEn los ensayos acompresión laprobetacilíndrica secolocalibremente entrelas losasparalelas.
  • 96. Realización práctica delensayo de tracciónEl propósito principal de los ensayos a tracción ycompresión consiste en la construcción de losdiagramas de tracción y compresión, o sea, ladependencia entre la fuerza que actúa sobre laprobeta y su alargamiento.En la máquina de palanca la fuerza se mide, o porel ángulo de inclinación del péndulo, o por laposición del peso que equilibra.En la máquina hidráulica, la magnitud de lafuerza se establece por la escala del manómetrograduada debidamente.
  • 97. Realización práctica delensayo de tracciónPara la medición a grosso modo delos alargamientos se usandispositivos simples (a menudo depalanca) que fijan el desplazamientomutuo de los cierres de la máquina.Este desplazamiento en el caso dealargamientos grandes se puedeigualar al alargamiento de la probeta.
  • 98. Realización práctica delensayo de tracciónPara la medición exacta de pequeñosalargamientos se emplean aparatosespeciales denominados tensómetros.Este dispositivo se establecedirectamente sobre la probeta parafijar el desplazamiento mutuo de dossecciones de la parte de trabajo de laprobeta.
  • 99. Realización práctica delensayo de tracciónLa máquina de ensayo moderna generalmente estáprovista de un dispositivo para obtenerautomáticamente el diagrama de tracción-compresión.
  • 100. Realización práctica delensayo de tracciónEsto permite, una vez realizado elensayo, obtener en cierta escala la curva P =f(Δl).
  • 101. Equipos de Laboratorio
  • 102. Equipos de Laboratorio
  • 103. Equipos de Laboratorio
  • 104. Aditamentos
  • 105. Compresión de cilindros deConcreto
  • 106. Flexión de Viguetas deConcreto
  • 107. Flexión de Maderas
  • 108. Tensión de Varillas
  • 109. Corte en Maderas
  • 110. FIN…