Propiedades de tracción

Las propiedades de tracción indican cómo reaccionará el material a las fuerzas aplicadas en tensión. Un ensayo de tracción es una prueba mecánica fundamental en la que una probeta cuidadosamente preparada se carga de forma muy controlada mientras se mide la carga aplicada y el alargamiento de la probeta a lo largo de cierta distancia. Los ensayos de tracción se utilizan para determinar el módulo de elasticidad, el límite elástico, el alargamiento, el límite proporcional, la reducción de área, la resistencia a la tracción, el límite elástico, el límite de fluencia y otras propiedades de tracción.

El producto principal de un ensayo de tracción es una curva de carga frente a alargamiento que se convierte en una curva de tensión frente a deformación. Dado que tanto la tensión como la deformación de ingeniería se obtienen dividiendo la carga y el alargamiento por valores constantes (información de la geometría de la probeta), la curva de carga-alargamiento tendrá la misma forma que la curva de tensión-deformación de ingeniería. La curva tensión-deformación relaciona la tensión aplicada con la deformación resultante y cada material tiene su propia curva tensión-deformación. A continuación se muestra una curva típica de tensión-deformación de ingeniería. Si se utiliza la tensión real, basada en el área de la sección transversal real de la probeta, se observa que la curva de tensión-deformación aumenta continuamente hasta la fractura.

Región lineal-elástica y constantes elásticas
Como puede verse en la figura, la tensión y la deformación aumentan inicialmente con una relación lineal. Esta es la parte lineal-elástica de la curva e indica que no se ha producido ninguna deformación plástica. En esta región de la curva, cuando la tensión se reduce, el material vuelve a su forma original. En esta región lineal, la línea obedece a la relación definida como Ley de Hooke, donde la relación entre la tensión y la deformación es una constante.

La pendiente de la línea en esta región donde el esfuerzo es proporcional a la deformación y se llama el módulo de elasticidad o módulo de Young. El módulo de elasticidad (E) define las propiedades de un material cuando se somete a una tensión, se deforma y vuelve a su forma original después de eliminar la tensión. Es una medida de la rigidez de un material determinado. Para calcular el módulo de elasticidad, basta con dividir la tensión por la deformación del material. Como la deformación no tiene unidades, el módulo tendrá las mismas unidades que la tensión, como kpi o MPa. El módulo de elasticidad se aplica específicamente a la situación de un componente que se estira con una fuerza de tracción. Este módulo es de interés cuando es necesario calcular cuánto se estira una varilla o un alambre bajo una carga de tracción.

Hay varios tipos diferentes de módulos dependiendo de la forma en que el material está siendo estirado, doblado o distorsionado. Cuando un componente se somete a un cizallamiento puro, por ejemplo, una barra cilíndrica sometida a torsión, el módulo de cizallamiento describe la relación tensión-deformación lineal-elástica.

La deformación axial siempre va acompañada de deformaciones laterales de signo contrario en las dos direcciones mutuamente perpendiculares a la deformación axial. Las deformaciones que resultan de un aumento de longitud se designan como positivas (+) y las que resultan de una disminución de longitud se designan como negativas (-). La relación de Poisson se define como el negativo de la relación entre la deformación lateral y la axial para un estado de tensión uniaxial.

La relación de Poisson se define a veces también como la relación de los valores absolutos de la deformación lateral y axial. Esta relación, al igual que la deformación, no tiene unidades ya que ambas deformaciones no tienen unidades. Para tensiones dentro del rango elástico, esta relación es aproximadamente constante. Para un material perfectamente elástico e isótropo, la relación de Poisson es de 0,25, pero para la mayoría de los materiales el valor se encuentra en el rango de 0,28 a 0,33. En general, para los aceros, la relación de Poisson tendrá un valor de aproximadamente 0,3. Esto significa que si hay una pulgada por pulgada de deformación en la dirección en que se aplica la tensión, habrá 0,3 pulgadas por pulgada de deformación perpendicular a la dirección en que se aplica la fuerza.

Sólo dos de las constantes elásticas son independientes, por lo que si se conocen dos constantes, la tercera se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

E = 2 (1 + n) G.

Donde:	E	=	módulo de elasticidad (módulo de Young)
	n	=	Relación de Poisson
	G	=	módulo de rigidez (módulo de cizalla).

Un par de constantes elásticas adicionales que pueden encontrarse incluyen el módulo de masa (K), y las constantes de Lame (m y l). El módulo de masa se utiliza para describir la situación en la que una pieza de material se somete a un aumento de presión en todos sus lados. La relación entre el cambio de presión y la deformación resultante producida es el módulo aparente. Las constantes de Lame se derivan del módulo de elasticidad y de la relación de Poisson.

Punto de cesión
En los materiales dúctiles, en algún momento, la curva tensión-deformación se desvía de la relación rectilínea y la Ley deja de aplicarse ya que la deformación aumenta más rápido que la tensión. A partir de este punto en el ensayo de tracción, se produce alguna deformación permanente en la probeta y se dice que el material reacciona plásticamente a cualquier aumento adicional de la carga o la tensión. El material no volverá a su estado original, sin tensión, cuando se retire la carga. En los materiales frágiles, se produce poca o ninguna deformación plástica y el material se fractura cerca del final de la parte lineal-elástica de la curva.

En la mayoría de los materiales se produce una transición gradual del comportamiento elástico al plástico, y el punto exacto en el que comienza a producirse la deformación plástica es difícil de determinar. Por lo tanto, se utilizan varios criterios para el inicio de la fluencia dependiendo de la sensibilidad de las mediciones de la deformación y el uso previsto de los datos. (Para la mayoría de las aplicaciones de diseño y especificación de ingeniería, se utiliza el límite elástico. El límite elástico se define como la tensión necesaria para producir una pequeña deformación plástica. El límite elástico desplazado es la tensión correspondiente a la intersección de la curva tensión-deformación y una línea paralela a la parte elástica de la curva desplazada por una deformación especificada (en los EE.UU. el desplazamiento suele ser del 0,2% para los metales y del 2% para los plásticos).

En Gran Bretaña, el límite elástico suele denominarse tensión de prueba. El valor de desplazamiento es del 0,1% o del 0,5%

Para determinar el límite elástico utilizando este desplazamiento, se encuentra el punto en el eje de deformación (eje x) de 0,002, y luego se traza una línea paralela a la línea tensión-deformación. Esta línea intersectará la línea de tensión-deformación ligeramente después de que comience a curvarse, y esa intersección se define como el límite elástico con un desplazamiento del 0,2%. Una buena forma de ver el límite elástico desplazado es que después de que una probeta se haya cargado hasta su límite elástico desplazado del 0,2% y luego se haya descargado, será un 0,2% más larga que antes de la prueba. Aunque el límite de elasticidad debe representar el punto exacto en el que el material se deforma permanentemente, el 0,2% de alargamiento se considera una cantidad de sacrificio tolerable por la facilidad que supone para definir el límite de elasticidad.

Algunos materiales, como la fundición gris o el cobre blando, no presentan esencialmente un comportamiento lineal-elástico. Para estos materiales la práctica habitual es definir el límite elástico como la tensión requerida para producir cierta cantidad total de deformación.

• El verdadero límite elástico es un valor muy bajo y está relacionado con el movimiento de unos cientos de dislocaciones. Se requieren mediciones de microdeformación para detectar deformaciones del orden de 2 x 10 -6 pulg.
• El límite proporcional es el esfuerzo más alto en el que la tensión es directamente proporcional a la deformación. Se obtiene observando la desviación de la porción rectilínea de la curva tensión-deformación.
• Límite elástico es la mayor tensión que el material puede soportar sin que quede ninguna deformación permanente medible al liberar completamente la carga. Se determina mediante un tedioso procedimiento de ensayo de carga y descarga incremental. Con la sensibilidad de las mediciones de deformación empleadas habitualmente en los estudios de ingeniería (10 -4in/in), el límite elástico es mayor que el límite proporcional. Con el aumento de la sensibilidad de la medición de la deformación, el valor del límite elástico disminuye hasta que finalmente se iguala al verdadero límite elástico determinado a partir de las micro mediciones de la deformación.
• El límite elástico es la tensión necesaria para producir una pequeña cantidad especificada de deformación plástica. El límite elástico obtenido por un método de desplazamiento se utiliza comúnmente para fines de ingeniería porque evita las dificultades prácticas de medir el límite elástico o el límite proporcional.

Resistencia a la tracción última
La resistencia a la tracción última (UTS) o, más sencillamente, la resistencia a la tracción, es el nivel máximo de tensión de ingeniería que se alcanza en un ensayo de tracción. La resistencia de un material es su capacidad para soportar fuerzas externas sin romperse. En los materiales frágiles, la UTS se situará al final de la parte lineal-elástica de la curva tensión-deformación o cerca del límite elástico. En los materiales dúctiles, el UTS estará bien fuera de la porción elástica dentro de la porción plástica de la curva tensión-deformación.

En la curva tensión-deformación anterior, el UTS es el punto más alto donde la línea es momentáneamente plana. Dado que el UTS se basa en la tensión de ingeniería, a menudo no es lo mismo que la resistencia a la rotura. En los materiales dúctiles se produce un endurecimiento por deformación y la tensión seguirá aumentando hasta que se produzca la fractura, pero la curva de ingeniería tensión-deformación puede mostrar una disminución del nivel de tensión antes de que se produzca la fractura. Esto es el resultado de que la tensión de ingeniería se basa en el área de la sección transversal original y no tiene en cuenta el estrechamiento que suele producirse en la muestra de ensayo. Es posible que el UTS no sea completamente representativo del nivel más alto de tensión que puede soportar un material, pero de todos modos el valor no se suele utilizar en el diseño de los componentes. En el caso de los metales dúctiles, la práctica actual de diseño consiste en utilizar el límite elástico para dimensionar los componentes estáticos. Sin embargo, dado que el UTS es fácil de determinar y bastante reproducible, es útil para especificar un material y para el control de calidad. Por otro lado, para los materiales frágiles, el diseño de un componente puede basarse en la resistencia a la tracción del material.

Medidas de Ductilidad (Alargamiento y Reducción de Área)
La ductilidad de un material es una medida del grado en que un material se deformará antes de la fractura. La cantidad de ductilidad es un factor importante a la hora de considerar operaciones de conformación como el laminado y la extrusión. También proporciona una indicación de lo visibles que pueden ser los daños por sobrecarga en un componente antes de que éste se fracture. La ductilidad también se utiliza como medida de control de calidad para evaluar el nivel de impurezas y el correcto procesamiento de un material.

Las medidas convencionales de la ductilidad son la tensión de ingeniería en la fractura (normalmente llamada elongación ) y la reducción del área en la fractura. Ambas propiedades se obtienen ajustando la probeta después de la fractura y midiendo el cambio en la longitud y el área de la sección transversal. El alargamiento es el cambio en la longitud axial dividido por la longitud original de la probeta o porción de la misma. Se expresa en porcentaje. Dado que una fracción apreciable de la deformación plástica se concentrará en la región del cuello de la probeta de tracción, el valor del alargamiento dependerá de la longitud del calibre sobre el que se realice la medición. Cuanto menor sea la longitud del calibre, mayor será la deformación localizada en la región del cuello que se tendrá en cuenta en el cálculo. Por lo tanto, cuando se informe de los valores de alargamiento, deberá indicarse la longitud del calibre.

Una forma de evitar la complicación del cuello es basar la medición del alargamiento en la deformación uniforme hasta el punto en que comienza el cuello. Esto funciona bien a veces, pero algunas curvas de tensión-deformación de ingeniería suelen ser bastante planas en las proximidades de la carga máxima y es difícil establecer con precisión la deformación cuando empieza a producirse el cuello.

La reducción del área es el cambio en el área de la sección transversal dividido por el área de la sección transversal original. Este cambio se mide en la región del cuello de la probeta. Al igual que el alargamiento, suele expresarse en porcentaje.

Como se ha comentado anteriormente, la tensión es sólo una de las formas en que se puede cargar un material. Otras formas de cargar un material son la compresión, la flexión, el cizallamiento y la torsión, y hay una serie de pruebas estándar que se han establecido para caracterizar cómo se comporta un material bajo estas otras condiciones de carga. En la página siguiente se ofrece una introducción muy somera a algunas de estas otras propiedades de los materiales.