Pruebas de tracción: una guía científica completa - TESTEX

La prueba para determinar el material bajo tensión se denomina prueba de tracción, también conocida como prueba de tensión. Es uno de los métodos básicos para probar las propiedades mecánicas de los materiales y se utiliza para verificar el rendimiento del material y si cumple con los estándares pertinentes. Esta publicación se refiere a lo siguiente.

• ¿Qué es la prueba de tracción? ¿Qué se puede probar?
• Conceptos y términos relacionados con los ensayos de tracción
• ¿Qué es un probador de tracción? ¿Qué materiales se pueden probar?
• Preparación para ensayos de tracción
• Procedimientos de ensayo de tracción
• Ensayo de tracción: las cuatro etapas de tensión-deformación
• Estándares de prueba comunes para pruebas de tracción
• ¿Cuáles son los factores que afectan la resistencia a la tracción en las pruebas de tracción?

¿Qué es la prueba de tracción? ¿Qué se puede probar?

El ensayo de tracción es la aplicación de fuerza de tracción a una muestra bajo ciertas condiciones para determinar la resistencia de la muestra a una carga aplicada. Por ejemplo, el índice de resistencia y el índice de plasticidad del material, además, también se puede derivar la deformación plástica del material.

Los datos obtenidos de la prueba de tracción se pueden utilizar para determinar el límite elástico, el alargamiento, el módulo de elasticidad, el límite proporcional, la reducción del área, la resistencia a la tracción, el límite elástico, el límite elástico y otras propiedades de tracción del material.

Indicadores de fuerza

• La resistencia de un material es la fuerza por unidad de área del material en Pa.
• 1Pa = 1N/m²
• Sin embargo, la unidad Pa es tan pequeña, que en la ingeniería práctica, MPa se usa a menudo como unidad de resistencia, por ejemplo, el límite elástico del acero generalmente oscila entre 100 y 2000 MPa.
• 1 MPa = 10⁶ Pa

• Límite elástico superior: ReH = FeH / Entonces (So indica el área de la sección transversal original, FeH indica la fuerza axial correspondiente al límite elástico superior)
• Menor límite elástico: ReL = FeL / Entonces (So indica el área de la sección transversal original, FeL indica la fuerza axial correspondiente al límite elástico inferior)
• Resistencia a la tracción: Rm = Fmáx / So (Fmáx es la fuerza axial máxima)

El fenómeno de fluencia no es un material obvio, para producir una deformación residual del 0.2% del valor de tensión para el límite de fluencia, conocido como límite de fluencia condicional o resistencia a la fluencia condicional. Las fuerzas externas superiores a este límite harán que la pieza falle de forma permanente y no se pueda recuperar.

• El acero duro (acero con alto contenido de carbono) tiene alta resistencia, mala plasticidad y no tiene una fase de fluencia obvia en el proceso de tracción, por lo que el límite elástico no se puede determinar directamente y se usa el límite elástico condicional en lugar del límite elástico.
• Límite elástico condicional: Rp0.2, que indica la tensión correspondiente a un alargamiento plástico especificado del 0.2 %.

Indicador de plasticidad

Cuando se retira una muestra, la deformación elástica desaparece, pero permanece la deformación plástica. En ingeniería, la deformación que queda después de retirar la pieza de prueba se usa para indicar el índice de plasticidad del material. Hay dos indicadores de plasticidad de uso común.

• Alargamiento: A = (Lu – Lo) / Lo * 100%
• Contracción de sección: Z = (So – Su) / So * 100%

Conceptos y terminología relacionados con las pruebas de tracción

Estrés y tensión

Estrés: El estrés es la fuerza en el área sobre la que actúa, expresado en N/mm², y en unidades métricas como kPa o MPa.

Deformación: La deformación es la tasa de cambio en las dimensiones de un material de prueba, es el cambio en las dimensiones causado por la carga de una tensión. Como la tensión es una tasa de cambio, no tiene unidades.

Términos relacionados con muestras

• Área de sección transversal So: El área de la sección transversal original de la muestra antes de la prueba.
• Escala original Lo: la escala de la muestra antes de la aplicación de la fuerza.
• Distancia posterior al descanso Lu: la distancia de la muestra después de la rotura.
• Longitud paralela Lc: la longitud de la parte paralela de la muestra entre las dos cabezas o las dos partes sujetas.
• Elongación después de la rotura A: la relación del alargamiento residual del espécimen después de la marca de ruptura (lu-lo) a la marca original Lo, expresada en porcentaje.
• Contracción de la sección Z: la relación de la reducción máxima en el área de la sección transversal (Así que - su) al área de la sección transversal original So después de la fractura del espécimen, expresado en porcentaje.

¿Qué es un probador de tracción? ¿Qué materiales se pueden probar?

La probador de tracción también se conoce como máquina de prueba de tracción universal. Un probador de tracción es una máquina de prueba de fuerza mecánica que se utiliza para pruebas de carga estática, estiramiento, compresión, flexión, cizallamiento, desgarro, pelado y otras propiedades mecánicas de varios materiales. La máquina de resistencia a la tracción es un equipo de prueba indispensable para el desarrollo de materiales, pruebas de propiedades físicas, enseñanza e investigación, control de calidad, etc. La máquina de prueba de tracción universal es muy utilizada y se puede usar para probar los siguientes tipos de materiales.

• Materiales de caucho: productos de caucho, mangueras, cintas, juntas tóricas, neumáticos y otros materiales y productos de caucho.
• Materiales plásticos: productos plásticos, películas, tubos, placas, materiales de embalaje, productos de nailon, rollos impermeables y otros materiales y productos plásticos.
• Materiales metálicos: productos metálicos, productos de acero inoxidable, pernos, alambres de acero, productos de aleación y otros materiales y productos metálicos.
• Materiales de construcción: madera, chapa, vidrio, hormigón, productos de grafito, etc.

Preparación para ensayos de tracción

La ubicación, la dirección y el número de muestras son tres factores que tienen una influencia significativa en los resultados de las pruebas de propiedades de los materiales. La ubicación, la dirección y el número de muestras que se tomarán deben estar de acuerdo con la norma de producto ISO 377 o el acuerdo pertinente.

Método de muestreo

• Muestreo directo de la materia prima.
• Las muestras se toman de áreas importantes del producto (las partes más débiles y peligrosas).
• Pruebas directas con partes físicas, por ejemplo, barras de refuerzo, pernos, tornillos o cadenas.
• Pruebas directamente en especímenes fundidos o mecanizando en especímenes.

Procesamiento de especímenes

• Para evitar que las propiedades mecánicas se vean afectadas por la deformación en frío o por el calor. Por lo general, se mecaniza principalmente por corte.
• Las secciones paralelas deben ser lisas, libres de endurecimiento por trabajo y libres de defectos tales como virutas, marcas de herramientas y rebabas.
• La parte de sujeción de material frágil y la parte de sección paralela deben tener un gran radio de transición redonda.
• Para especímenes de fundición no mecanizados, la superficie de la arena, escoria, rebabas, bordes voladores, etc. debe estar limpia.

Inspección y marcado de muestras

• El espécimen debe verificarse antes de la prueba para garantizar que su apariencia cumpla con los requisitos.
• Las marcas originales de las muestras generalmente se marcan con líneas finas y el método utilizado no debe afectar la fractura prematura de la muestra.
• Para materiales extrafinos o quebradizos, la muestra puede recubrirse con una pintura colorante de secado rápido en secciones paralelas y luego trazarse suavemente con una línea de marcado.

Además: el área de la sección transversal original So de la muestra debe medirse y calcularse antes de la prueba.

Procedimiento de prueba de tracción

1 Prepare la muestra: Prepare la muestra de acuerdo con los requisitos estándar y mantenga registros.

2 Ajuste la máquina de prueba de tracción: cambie el accesorio de acuerdo con el estándar de prueba y ajuste las condiciones de prueba de la máquina de tracción.

3 Sujete la muestra: primero sujete la muestra en el mandril superior, luego mueva el mandril inferior a una posición de sujeción adecuada y finalmente sujete el extremo inferior de la muestra.

4 Comprobación y ejecución de prueba: compruebe que se han completado los pasos anteriores. Arranque la máquina de tracción y precargue una pequeña cantidad (la carga correspondiente a la tensión no debe exceder el límite proporcional del material) y luego descargue a cero para verificar que la máquina de tracción funciona correctamente.

5 Ponga en marcha la máquina tensora y realice la prueba de tensión.

6 Retire la pieza de prueba y el papel de registro.

7 Mida la distancia posterior a la rotura con calibradores a vernier.

8 Mida el diámetro mínimo en la contracción del cuello con calibres Vernier.

Ensayo de tracción: las cuatro etapas de tensión-deformación

• OB: etapa elástica
• BC: Etapa de rendimiento
• CD: Etapa de refuerzo
• DE: etapa de estrechamiento

En la etapa de deformación elástica de un material metálico, la tensión y la deformación son proporcionales entre sí, de acuerdo con la ley de Hooke, es decir, σ = Eε, con un factor de escala E denominado módulo de elasticidad.

mi = σ/ε

El límite elástico está tan cerca del límite proporcional que en la ingeniería práctica, se aproxima el límite proporcional en lugar del límite elástico.

Límite elástico: cuando un material metálico presenta el fenómeno de cedencia, durante el ensayo se alcanza el punto de tensión en el que se produce la deformación plástica sin un aumento de la fuerza; se debe hacer una distinción entre límites elásticos superior e inferior.

• Límite elástico superior: el esfuerzo más alto antes de que el espécimen ceda y la fuerza primero disminuya.
• Menor límite elástico: la tensión más baja durante el límite elástico, sin contar el efecto transitorio inicial.
• El valor de tensión correspondiente al punto de fluencia más bajo generalmente se denomina resistencia a la fluencia.

Después de la etapa de fluencia, el punto C de la curva comienza a subir gradualmente nuevamente, lo que indica que para que la deformación aumente, se debe aumentar el esfuerzo y el material recupera su capacidad para resistir la deformación, fenómeno llamado fortalecimiento, y la sección CD es llamada etapa de fortalecimiento (proceso de endurecimiento).

El valor de tensión correspondiente al punto más alto de la curva se denomina resistencia a la tracción (o límite de resistencia) del material, y es otro indicador importante de la resistencia del material.

Cuando la curva alcanza el punto D, la deformación aumenta significativamente en una de las partes más débiles de la muestra (donde el material es irregular o defectuoso), la sección transversal efectiva disminuye bruscamente, se produce el fenómeno de estrechamiento y la muestra se desprende rápidamente.

Algunas curvas comunes de tensión-deformación

Los (a) curva es la curva de tensión-deformación para el acero dulce, que tiene una fase de fluencia irregular, con deformación plástica uniforme de fluencia superior e inferior seguida de estricción y luego fractura de la muestra.

Los (b) curve es la curva de esfuerzo-deformación para el acero al carbono medio, que tiene una fase de fluencia, pero con pequeñas fluctuaciones y casi una línea recta, con deformación plástica uniforme seguida de estricción y luego fractura de la muestra.

Los (c) curve es la curva de tensión-deformación del acero templado a temperatura media a baja, que no tiene una fase de fluencia visible y produce estricción después de una deformación plástica uniforme y luego la muestra se fractura.

Los (d) curva es la curva tensión-deformación del hierro fundido, material templado, que no solo no tiene fase de fluencia, sino que también se fractura repentinamente después de producir una pequeña cantidad de deformación plástica uniforme.

Estándares de prueba comunes para pruebas de tracción

• ISO-6892 1
• Materiales metálicos. Ensayos de tracción. Parte 1: Método de ensayo a temperatura ambiente.
• ISO-6892 2
• Materiales metálicos. Ensayos de tracción. Parte 2: Método de ensayo a temperatura elevada.
• ISO 204
• Materiales metálicos – Método de ensayo de fluencia uniaxial en tensión
• ISO 377
• Acero y productos siderúrgicos: ubicación y preparación de muestras y probetas para ensayos mecánicos
• ISO 783
• Materiales metálicos: ensayo de tracción a temperatura elevada
• JIS G0601
• Placas de acero revestido – Prueba mecánica y tecnológica
• ISO 3108
• Cables de acero para usos generales: determinación de la carga de rotura real
• ES 10319
• Materiales metálicos. Ensayos de relajación de la tensión de tracción. Parte 1: Procedimiento para máquinas de ensayo.
• ISO 15579
• Materiales metálicos – Ensayos de tracción a baja temperatura
• ASTM B557M
• Probetas y método para ensayo de tracción para productos de aluminio forjado y aleaciones de magnesio.
• DIN EN ISO 2566-1
• Acero – Conversión de valores de elongación – Parte 1: Aceros al carbono y de baja aleación
• DIN EN ISO 2566-2
• Acero – Conversión de valores de elongación – Parte 2: Aceros austeníticos
• ASTM E111-04 y ASTM E1875-00
• Método de prueba estándar para módulo de Young, módulo de tangente y módulo de cuerda
• Método de prueba estándar para el módulo de Young dinámico, el módulo de corte y la relación de Poisson por resonancia sónica

¿Cuáles son los factores que afectan la resistencia a la tracción en las pruebas de tracción?

Los principales factores que afectan la prueba de tracción de la máquina de prueba de tracción incluyen: el área de muestreo y el método de muestreo, la forma, el tamaño y la precisión de la muestra, los instrumentos de medición, el equipo de prueba, la temperatura ambiental de prueba, la selección del accesorio, el método de sujeción de la muestra, tasa de estiramiento, área de la sección transversal del espécimen de tracción, error de medición, etc.

1 Sitios y métodos de muestreo

Las diferencias en el sitio de muestreo pueden afectar directamente la prueba de tracción de los materiales metálicos después del alargamiento, el límite elástico y la resistencia a la tracción y otros indicadores de rendimiento. La distribución desigual de los materiales metálicos debido a la composición, organización, estructura, defectos, deformación del procesamiento, etc., hace que las propiedades mecánicas del mismo lote o incluso de diferentes partes del mismo producto parezcan diferentes. Además, al cortar el tocho de muestra, es necesario evitar que las propiedades mecánicas se vean afectadas por el calor, el endurecimiento por trabajo y la deformación.

2 Forma, tamaño y precisión de la muestra

Para el mismo material en el mismo estado, si la forma de la sección transversal es diferente, los resultados medidos tendrán un mayor efecto sobre el límite elástico superior y menos sobre el límite elástico inferior; la resistencia a la tracción de una muestra con un área de sección transversal grande (tamaño grande) es menor que la de un tamaño más pequeño y el índice de plasticidad también se reduce; el paralelismo y la precisión dimensional dentro de la longitud paralela de la muestra también pueden afectar fácilmente los resultados de la prueba. El paralelismo y la precisión dimensional dentro de la longitud paralela de la muestra también pueden afectar fácilmente los resultados de la prueba. Esto se debe a que el valor dimensional medido de la muestra puede no ser la posición mínima de la muestra real, lo que dará como resultado un resultado de prueba bajo. Por lo tanto, la forma y las dimensiones de la muestra deben estar de acuerdo con la norma.

3 Para instrumentos de medida

La precisión de los instrumentos y calibres de medición dimensional debe cumplir con los requisitos de prueba. Por lo tanto, antes de realizar la prueba, todos los tipos de instrumentos de medición deben calibrarse y los medidores deben mantenerse limpios y claros al mismo tiempo.

4 Equipo de prueba

La máquina de prueba y el extensómetro son dos tipos de equipos de prueba comúnmente utilizados en las pruebas de tracción de materiales metálicos, que afectan directamente la precisión y autenticidad de los resultados de la prueba. El primero se utiliza para medir el valor de la fuerza; este último se utiliza principalmente para la determinación del desplazamiento o la extensión. Por lo tanto, es importante asegurarse de que la máquina de prueba y el extensómetro estén dentro del período de validez de la prueba y se calibren periódicamente.

5 Temperatura ambiente de prueba

Algunos materiales metálicos son muy sensibles a la temperatura e incluso los materiales metálicos comunes pueden generar mediciones de prueba inconsistentes si la temperatura de prueba varía demasiado. En general, el límite elástico de los metales cúbicos centrados en el cuerpo aumenta considerablemente a medida que desciende la temperatura, mientras que el cambio es menos pronunciado para los metales cúbicos centrados en las caras. A medida que aumenta la temperatura, el límite elástico del metal generalmente disminuye.

6 Selección del dispositivo de sujeción, el impacto de la sujeción de muestras

La selección incorrecta de los accesorios, la sujeción de la muestra y la carga y descarga del extensómetro pueden afectar los resultados de la prueba. El desajuste entre el dispositivo de sujeción y la forma de la muestra de prueba y la forma del patrón de superficie del dispositivo de sujeción no son adecuados, lo que hará que el dispositivo de sujeción y la muestra no formen un área de sujeción suficiente, la fricción estática no es suficiente, dando como resultado el deslizamiento relativo del dispositivo de sujeción y la muestra durante el proceso de tracción, lo que afecta los resultados de tracción.

7 Método de sujeción

Los métodos de sujeción poco razonables pueden hacer que la muestra se deslice o se rompa fácilmente en las mordazas, lo que da como resultado datos de prueba inexactos o datos de prueba bajos.

8 Tasa de estiramiento

La tasa de estiramiento afecta directamente la relación tensión-deformación del material metálico. Diferentes materiales son sensibles a diferentes grados de velocidad, tasa de estiramiento en diferentes materiales, el impacto del tamaño de diferentes materiales, baja resistencia, buena plasticidad del impacto del material para ser grande.

9 Determinación del área de la sección transversal de una muestra de tracción

Hay dos métodos para determinar el área de la sección transversal de una muestra de tracción: uno es el método de prueba de tracción ISO 6892 para metales y el otro es el estándar de producto correspondiente para el material. Algunas normas de productos especifican que el área de la sección transversal de una muestra de prueba de tracción debe determinarse por el área de la sección transversal del tamaño nominal.

10 Métodos de medición de las dimensiones de la muestra y error humano en la medición

Los especímenes de tracción deben medirse con un micrómetro de diámetro externo o un pie de rey, según el diámetro. Si el método de medición no es preciso, lo que conduce a una medición de tamaño artificialmente grande. Debido a factores subjetivos y diferentes técnicas operativas, también puede generar errores en los resultados de la medición.