Los ensayos de flexión miden el comportamiento de los materiales sometidos a una carga sencilla. Suele realizarse en materiales relativamente flexibles, como polímeros, madera y composites. En su nivel más básico, se realiza un ensayo de flexión en una máquina universal de ensayos colocando una muestra en dos yunques de soporte y doblándola mediante la fuerza aplicada en uno o dos yunques de carga para medir sus propiedades.

¿Por qué realizar un ensayo de flexión?

Los ingenieros a menudo quieren comprender varios aspectos del comportamiento de un material, pero un simple ensayo de tracción o compresión uniaxial puede no proporcionar toda la información necesaria. A medida que la muestra se dobla o se flexiona, se somete a una compleja combinación de fuerzas que incluyen tensión, compresión y cizallamiento. Por este motivo, las pruebas de flexión se utilizan habitualmente para evaluar la reacción de los materiales a situaciones de carga realistas.

Los datos de los ensayos de flexión pueden ser particularmente útiles cuando un material se va a utilizar como estructura de soporte. Por ejemplo, una silla de plástico debe dar apoyo en muchas direcciones. Mientras que las patas están sometidas a compresión cuando se utilizan, el asiento tendrá que soportar las fuerzas de flexión aplicadas por la persona que se sienta. Los fabricantes no solo quieren proporcionar un producto que pueda soportar las cargas esperadas, sino que el material también debe recuperar su forma original si se produce alguna flexión.

Ensayo de flexión a 3 puntos

Un ensayo de flexión a 3 puntos equilibra una muestra entre dos yunques inferiores mientras aplica fuerza desde un único yunque superior centrado en el punto medio. La zona sometida a una tensión uniforme es bastante pequeña y se concentra debajo del punto de carga central. Las distintas normas de ensayo pueden requerir que los yunques se fijen, giren o basculen.

Ensayo de flexión a 4 puntos

Un ensayo de flexión a 4 puntos difiere del de 3 puntos en que tiene dos yunques superiores colocados equidistantes del centro de la muestra. En este ensayo, la zona sometida a una tensión uniforme existe entre los puntos de carga del vano interno (normalmente la mitad de la longitud del vano externo). De nuevo, dependiendo de los requisitos de la norma del ensayo, es posible que los yunques deban fijarse, girarse o bascular. Normalmente, los ensayos a 4 puntos se utilizan para medir el módulo de elasticidad en la flexión de materiales quebradizos.

Las pruebas de flexión se realizan normalmente en máquinas de ensayo universales. Estos sistemas de ensayo de tracción consisten en un bastidor de ensayo equipado con un célula de carga, software de ensayo, mordazas específicas para la aplicación y otros accesorios como los extensómetros. El tipo de material que se está probando determinará el tipo de accesorios necesarios, y una sola máquina se puede adaptar para probar cualquier material dentro de su rango de fuerza simplemente cambiando la fijación.

Preparación del ensayo de flexión
Mordazas de tracción Los bastidores de carga de las máquinas de ensayo universales se suministran en configuraciones de una o dos columnas y están disponibles en capacidades de hasta 2000 kN.
Software El software de ensayo permite a los usuarios configurar métodos de prueba y resultados de salida.
Célula de carga La célula de carga es un transductor que mide la fuerza aplicada a la muestra de prueba. Las células de carga Instron tienen una precisión de hasta 1/1000 de capacidad de la célula de carga.
Dispositivo de ensayo Los ensayos de flexión requieren yunques superiores e inferiores para aplicar fuerza a los puntos clave de la muestra. El número de yunques viene determinado por el tipo de ensayo que se está realizando.

 

Las máquinas de ensayo universales disponibles en diferentes tamaños y capacidades de fuerza que van desde 0,02 N hasta 2000 kN. La mayoría de los ensayos de baja fuerza se realizan en una máquina electromecánica de una o dos columnas de sobremesa, mientras que las aplicaciones de mayor fuerza requieren bastidores de modelo de suelo. Los sistemas de la serie 6800 de Instron están disponibles en rangos de capacidad de hasta 300 kN y pueden realizar una amplia gama de diferentes tipos de ensayos, incluyendo tracción, compresión, flexión, pelado, desgarro, cizallamiento, fricción, torsión y perforación, entre otros. Los sistemas servohidráulicos de la serie Industrial de Instron están diseñados para realizar incluso ensayos de mayor capacidad en metales de alta resistencia, aleaciones y composites avanzados y la serie ElectroPuls está diseñada para ensayos de fatiga dinámicos.

Sistemas de pruebas universales
hasta 300 kN

Sistemas de prueba de modelo de mesa y modelo de suelo de una y dos columnas que tienen un rango de capacidad de fuerza de 0,02 N (2 gf) a 300 kN.

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Sistemas de ensayo industrial universales
sistemas de hasta 2000 kN

La serie industrial de Instron incluye bastidores con espacios de ensayo simples o dobles y su capacidad de fuerza oscila entre 300 kN y 2000 kN.

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Sistemas de ensayo dinámico y de fatiga totalmente eléctricos ElectroPuls

Máquinas de ensayo dinámico con motor eléctrico lineal para pruebas mecánicas de fatiga y fractura disponibles en capacidades de fuerza de hasta 20 kN.

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Las pruebas de flexión se realizan normalmente según ISO, ASTM u otras normas reconocidas, que prescribirán variables como la velocidad de ensayo requerida y las dimensiones de la muestra. Por lo general, las muestras son rígidas y pueden estar hechas de diversos materiales como plástico, metal, madera y cerámica. Las formas más comunes son las barras rectangulares y las muestras cilíndricas.

Una prueba de flexión produce esfuerzo de tracción en el lado convexo de la muestra y tensión de compresión en el lado cóncavo. Esto crea una zona de tensión de cizallamiento a lo largo de la línea media. Para garantizar que el fallo primario se produzca por esfuerzo de tracción o compresión, la tensión de cizallamiento debe minimizarse controlando la relación vano/profundidad: la longitud del vano exterior dividida por la altura (profundidad) de la muestra. Para la mayoría de materiales, una S/d=16 es aceptable. Algunos materiales requieren una S/d=32 a 64 para mantener la tensión de cizallamiento lo suficientemente baja.

La tensión máxima de la fibra y la deformación máxima se calculan para incrementos de carga. Los resultados se representan en un diagrama de tensión-deformación. La resistencia a la flexión se define como la tensión máxima en la fibra más externa. Este parámetro se calcula en la superficie de la muestra en el lado convexo o de tensión. El módulo de flexión se calcula a partir de la pendiente de la curva de tensión frente a deflexión. Si la curva no presenta ninguna región lineal, se ajusta una secante a la curva para determinar la pendiente.

Los valores calculados, como la fuerza máxima y la extensión máxima, pueden registrarse igual que en un ensayo normal de tracción o compresión, basándose en las lecturas de la célula de carga y la extensión. Los valores de tensión y deformación se calculan de forma diferente, ya que incorporan el vano del soporte de la fijación flexible y el vano de carga (para pruebas de flexión en 4 puntos). Es tan importante registrar estas mediciones como registrar correctamente las dimensiones de la muestra. Una vez que estos valores se introducen en Bluehill Universal, los cálculos como el módulo de flexión se ejecutan automáticamente cuando se solicitan.

Polímeros

Los polímeros se prueban normalmente con un ensayo de flexión a 3 puntos. La deflexión de la muestra suele medirse por la posición de la cruceta, y los resultados del ensayo incluyen la resistencia a la flexión y el módulo de flexión.

Madera y composites

La madera y los composites se prueban con mayor frecuencia con el ensayo de curvatura a 4 puntos. La prueba a 4 puntos requiere un deflectómetro que mida con precisión la desviación de la muestra en el centro del vano de soporte. Los resultados del ensayo incluyen la resistencia a la flexión y el módulo de flexión.

Materiales frágiles

Cuando se realiza un ensayo de flexión a 3 puntos en un material quebradizo como la cerámica o el hormigón, la resistencia a la flexión se denomina a menudo módulo de ruptura (MOR, por sus siglas en inglés). Este ensayo sólo proporciona datos de resistencia a la flexión, no de rigidez (módulo). El ensayo de 4 puntos también puede utilizarse en materiales frágiles, aunque en estos casos la alineación de los yunques de apoyo y de carga es crítica, y el dispositivo de ensayo para estos materiales suele tener yunques autoalineables.