Ensayo de tracción: cómo funciona, qué mide y cómo empezar
El ensayo de tracción es una prueba mecánica fundamental realizada por ingenieros y científicos de materiales en instalaciones de fabricación e investigación de todo el mundo. Un ensayo de tracción —también conocido como ensayo de tensión— aplica una fuerza uniaxial a una probeta de material para medir sus propiedades mecánicas clave: resistencia a la tracción, límite elástico, módulo elástico y elongación. Estas mediciones indican a los diseñadores de producto y a los ingenieros de calidad cómo se comportará un material bajo carga, cuándo empezará a deformarse de forma permanente y el punto en el que se romperá, aportando los datos necesarios para seleccionar el material adecuado para una aplicación y verificar que cumple las especificaciones requeridas.
¿Por qué realizar un ensayo de tracción?
Los ensayos de tracción y la caracterización de materiales son cruciales para fabricantes e investigadores de todos los sectores. Para que un material pueda seleccionarse para un nuevo producto o uso, los investigadores deben asegurarse de que puede soportar las fuerzas mecánicas a las que se enfrentará en su aplicación final. Por ejemplo, el caucho de los neumáticos debe ser lo suficientemente elástico como para absorber las irregularidades de la superficie de la carretera, mientras que las suturas quirúrgicas deben ser lo bastante resistentes como para mantener unido el tejido vivo. Además, los materiales y productos pueden estar expuestos a fuerzas mecánicas durante periodos cortos o largos, mediante un uso cíclico o repetido, y en una amplia variedad de condiciones de temperatura y ambientales. Se espera que los neumáticos de automoción duren un determinado número de millas en diversas condiciones meteorológicas, mientras que las suturas quirúrgicas, aunque solo se utilicen una vez, deben mantener una resistencia a la tracción constante durante el tiempo suficiente para que el cuerpo se recupere.
Además de su importancia para el proceso de I+D, el ensayo de tracción también lo utilizan los departamentos de aseguramiento de la calidad para garantizar que los lotes de producto terminado cumplen las especificaciones requeridas de propiedades a tracción. Esto es importante tanto desde el punto de vista de la seguridad como del negocio, ya que los productos defectuosos pueden ser peligrosos para el usuario final y también pueden causar un perjuicio significativo a los fabricantes en forma de retrasos del producto, pérdida de ingresos y daños a la reputación.
Cómo realizar un ensayo de tracción
Los ensayos de tracción se realizan en máquinas universales de ensayos, también conocidas como máquinas de tracción o máquinas de ensayo de tracción. Estas máquinas constan de un bastidor de una o dos columnas equipado con una célula de carga, software de ensayo y mordazas específicas para la aplicación, además de accesorios como extensómetros. Las máquinas universales de ensayos están disponibles en una amplia variedad de capacidades de fuerza y pueden configurarse con diferentes utillajes para ensayar cualquier producto, componente o material.
Máquina de ensayo de tracción: componentes clave y sus funciones
- Bastidor de carga - Las máquinas de ensayo de tracción pueden tener configuraciones de una o dos columnas en función de su capacidad de fuerza.
- Software - El software de ensayo es donde los operadores configuran los métodos de ensayo y generan los resultados.
- Célula de carga - La célula de carga es un transductor que mide la fuerza aplicada a la probeta. Las células de carga de Instron ofrecen precisión hasta 1/1000 de la capacidad de la célula de carga.
- Mordazas y utillajes - Hay disponible una amplia gama de mordazas y utillajes para probetas, para adaptarse a probetas de distintos materiales, formas y tamaños.
- Medición de la deformación - Algunos métodos de ensayo requieren medir la elongación de una probeta bajo carga. El AVE2 de Instron puede medir cambios en la longitud de la probeta de hasta ±1 µm o el 0,5 % de la lectura.
Configuración de un ensayo de tracción
Para realizar un ensayo de tracción, el operador debe llevar a cabo diversas tareas para garantizar que el ensayo se realiza conforme a las normas internas y/o externas de ensayo. Según el laboratorio, estas tareas pueden estar parcial o totalmente automatizadas, aunque la responsabilidad de la corrección de la configuración recae siempre en el operador.
Selección del método de ensayo
Una vez que la probeta esté colocada en las mordazas y el extensómetro esté acoplado, estará listo para comenzar. En Bluehill Universal, seleccione su método de ensayo y configure los parámetros clave, incluidos la velocidad de ensayo, las dimensiones de la probeta y los criterios de fin de ensayo, como la detección de rotura o un límite máximo de carga.
Cuando inicia el ensayo, la máquina aplica la fuerza de tracción a la velocidad prescrita, registrando de forma continua los datos de carga, extensión y deformación a medida que la probeta se deforma. El ensayo se ejecuta hasta que se cumplen los criterios de fin definidos, normalmente la rotura de la probeta o una caída porcentual de la carga.
Una vez finalizado, Bluehill Universal calcula automáticamente las propiedades mecánicas definidas en su método: resistencia a la tracción, límite elástico, elongación y módulo, listas para su revisión, exportación o elaboración de informes.
Preparación de probetas
Las geometrías de las probetas varían ampliamente en función del material que se ensaya y del método o la norma de ensayo utilizados. Organismos reguladores como ASTM e ISO han estandarizado los requisitos de probetas para distintos materiales, lo que permite comparar sus propiedades de forma fiable entre diferentes lotes y fabricantes.
Las probetas de tracción suelen mecanizarse o troquelarse con forma de “hueso de perro”, que proporciona “hombros” diseñados para ser sujetados por las mordazas de la máquina de ensayos y una “longitud de medida” donde se medirán las propiedades a tracción. Las dimensiones de estos hombros, la longitud de medida entre ellos y la longitud y anchura de toda la probeta están prescritas por la norma de ensayo.
Inserción de la probeta en las mordazas
Seleccionar la mordaza adecuada para su probeta es fundamental para obtener resultados precisos y repetibles. En función de las dimensiones, la textura y el tipo de material de su probeta, pueden requerirse diferentes diseños de mordaza y superficies de las caras de las mordazas. Las mordazas están disponibles en una amplia variedad de capacidades de fuerza y con superficies recubiertas de goma, lisas, dentadas y de otros tipos para adaptarse a todo, desde elastómeros blandos y películas finas hasta metales y composites de alta resistencia.
La alineación correcta es igualmente importante. La desalineación durante la inserción de la probeta introduce fuerzas fuera del eje que pueden sesgar los resultados o provocar un fallo prematuro en las mordazas en lugar de en la longitud de medida. Para ayudar a los operadores a insertar las probetas de forma uniforme y correcta, Instron ofrece una gama de dispositivos y utillajes de alineación diseñados para garantizar que la fuerza se aplique siempre a lo largo del eje correcto.
En entornos de ensayo de alto volumen, las mordazas neumáticas e hidráulicas pueden reducir significativamente el tiempo de configuración y la variabilidad del operador, abriéndose y cerrándose con solo pulsar un botón en lugar de requerir ajustes manuales entre probetas.
Dispositivos de medición de la deformación
La deformación es una medida de la deformación de una probeta bajo tensión y es una parte fundamental de la caracterización de materiales requerida por la mayoría de las normas de ensayo de tracción. Medir la deformación con precisión requiere un dispositivo de medición específico, en lugar de basarse en el desplazamiento del travesaño, que puede introducir errores por la conformidad de la máquina y el asentamiento de las mordazas.
Los extensómetros son la solución más habitual. Los dispositivos de contacto, como los extensómetros de pinza, se acoplan directamente a la probeta a una longitud de medida fija y miden el cambio de distancia entre dos puntos de contacto a medida que la probeta se deforma. Se acoplan después de colocar la probeta en las mordazas, antes de iniciar el ensayo. Para aplicaciones en las que no es práctico acoplar un dispositivo a la probeta —como películas muy finas, elastómeros de alta elongación o materiales frágiles—, los extensómetros de vídeo sin contacto ofrecen una alternativa, ya que realizan un seguimiento óptico de la deformación mediante marcadores o características superficiales de la probeta.
Inicio del ensayo y registro de datos
Una vez que la probeta esté colocada en las mordazas y el extensómetro esté acoplado, estará listo para comenzar. En Bluehill Universal, seleccione su método de ensayo y configure los parámetros clave, incluidos la velocidad de ensayo, las dimensiones de la probeta y los criterios de fin de ensayo, como la detección de rotura o un límite máximo de carga.
Una vez finalizado, Bluehill Universal calcula automáticamente las propiedades mecánicas definidas en su método: resistencia a la tracción, límite elástico, elongación y módulo, listas para su revisión, exportación o elaboración de informes.
Análisis de datos del ensayo de tracción: comprensión de la curva tensión-deformación y de las propiedades clave del material
Medir un material a tracción proporciona un perfil completo de sus propiedades mecánicas. Cuando se representan en un gráfico, los datos registrados de carga y extensión generan una curva tensión-deformación que muestra cómo respondió el material a la fuerza aplicada en cada etapa del ensayo. Aunque las propiedades específicas requeridas varían según la norma y la aplicación, las mediciones clave que buscan los ingenieros son la resistencia última a la tracción, el módulo de elasticidad, el límite elástico y la deformación, cada una de las cuales revela algo diferente sobre cómo se comportará el material en uso.
Resistencia última a la tracción
Una de las propiedades más importantes que podemos determinar de un material es su resistencia última a la tracción (UTS). Se trata de la tensión máxima que soporta una probeta durante el ensayo. La UTS puede coincidir o no con la resistencia a la rotura de la probeta, dependiendo de si el material es frágil, dúctil o presenta propiedades de ambos. En ocasiones, un material puede ser dúctil cuando se ensaya en un laboratorio, pero, al ponerse en servicio y exponerse a temperaturas extremadamente frías, puede pasar a un comportamiento frágil.
Ley de Hooke
Para la mayoría de los materiales, la parte inicial del ensayo mostrará una relación lineal entre la fuerza o carga aplicada y la elongación que presenta la probeta. En esta región lineal, la línea cumple la relación definida como la Ley de Hooke, en la que la relación entre tensión y deformación es constante. E es la pendiente de la línea en esta región, donde la tensión (σ) es proporcional a la deformación (ε), y se denomina módulo de elasticidad o módulo de Young:
Módulo de elasticidad
El módulo de elasticidad es una medida de la rigidez del material que solo se aplica en la región lineal inicial de la curva. Dentro de esta región lineal, la carga de tracción puede retirarse de la probeta y el material volverá exactamente al mismo estado en el que se encontraba antes de aplicar la carga. En el punto en el que la curva deja de ser lineal y se desvía de la relación de línea recta, la Ley de Hooke deja de aplicarse y se produce cierta deformación permanente en la probeta. Este punto se denomina límite elástico o proporcional. A partir de este punto en el ensayo de tracción, el material reacciona plásticamente ante cualquier aumento adicional de carga o tensión. No volverá a su estado original sin tensión si se retira la carga.
Límite elástico
El límite elástico de un material se define como la tensión aplicada al material a la que comienza a producirse la deformación plástica.
Método del desplazamiento (offset)
Para algunos materiales (p. ej., metales y plásticos), la salida de la región elástica lineal no puede identificarse fácilmente. Por ello, se permite un método de desplazamiento (offset) para determinar el límite elástico del material. Esta metodología se aplica habitualmente al medir el límite elástico de los metales. Al ensayar metales según ASTM E8/E8M, se especifica un desplazamiento como porcentaje de deformación (normalmente 0,2 %). La tensión (R) que se determina a partir del punto de intersección “r”, cuando se traza desde el desplazamiento “m” la línea de la región elástica lineal (con pendiente igual al módulo de elasticidad), se convierte en el límite elástico por desplazamiento.
Módulos alternativos
Las curvas de tracción de algunos materiales no presentan una región lineal muy bien definida. En estos casos, la norma ASTM E111 contempla métodos alternativos para determinar el módulo de un material, así como el módulo de Young. Estos módulos alternativos son el módulo secante y el módulo tangente.
Deformación
También podemos determinar la cantidad de estiramiento o elongación que experimenta la probeta durante el ensayo de tracción. Esto puede expresarse como una medida absoluta del cambio de longitud o como una medida relativa denominada “deformación”. La deformación puede expresarse de dos formas diferentes: “deformación ingenieril” y “deformación verdadera”.
La deformación ingenieril es probablemente la expresión más sencilla y más común de la deformación. Es la relación entre el cambio de longitud y la longitud original:
La deformación verdadera es similar, pero se basa en la longitud instantánea de la probeta a medida que avanza el ensayo, donde Li es la longitud instantánea y L0 la longitud inicial:
Consulte nuestras preguntas frecuentes sobre ensayos de tracción y máquinas de ensayo de tracción para obtener información adicional
Equipos de ensayo de tracción de Instron: cómo elegir el sistema, las mordazas y la medición de deformación adecuados para su aplicación
Las máquinas de ensayo de tracción están disponibles en una variedad de tamaños y capacidades de fuerza, desde 0,02 N hasta 2.000 kN. La mayoría de los ensayos de baja fuerza se realizan en una máquina de sobremesa electromecánica de una o dos columnas, mientras que las aplicaciones de mayor fuerza requieren bastidores 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 variedad de tipos de ensayo, incluidos tracción, compresión, flexión, pelado, desgarro, cizalladura, fricción, torsión, punción y más. Los sistemas servohidráulicos de la Serie Industrial de Instron están diseñados para ensayos de capacidad aún mayor en metales de alta resistencia, aleaciones y composites avanzados.
Sistemas universales de ensayos hasta 300 kN
Sistemas de ensayo de sobremesa y de suelo, de una y dos columnas, con un rango de capacidad de fuerza de 0,02 N (2 gf) a 300 kN.
Sistemas universales de ensayos industriales hasta 2000 kN
La Serie Industrial de Instron incluye bastidores con uno o dos espacios de ensayo y un rango de capacidad de fuerza de 300 kN a 2000 kN.
Mordazas de tracción para ensayar plásticos, metales, composites, elastómeros, textiles y componentes
Mordazas neumáticas de acción lateral Tensile
N.º de catálogo 2712-XXX
Nuestra mordaza de tracción más popular, instalada en más de la mitad de todas las máquinas universales de ensayos Instron. Estas mordazas son fáciles de usar, extremadamente versátiles y eficientes para ensayos de alto volumen. Hasta 10 kN de capacidad de fuerza.
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Mordaza mecánica de cuña
N.º de catálogo 2716-XXX
Un diseño clásico, sencillo y robusto de mordaza de tracción; las mordazas manuales de cuña son perfectas para metales, composites y plásticos. Diseñadas para facilitar la carga, alineación y posicionamiento de la probeta. Hasta 250 kN de capacidad de fuerza.
Más información
Mordazas de acción lateral de tornillo avanzadas
N.º de catálogo 2710-XXX
Las mordazas de tornillo ofrecen un método muy sencillo y eficiente para sujetar probetas y se utilizan con mayor frecuencia en aplicaciones biomédicas, de película plástica, electrónicas y adhesivas. Hasta 10 kN de capacidad de fuerza.
Más información
Mordazas hidráulicas avanzadas de acción de cuña
N.º de catálogo 2742-XXX, 2743-XXX
Las mejores mordazas disponibles para la mayoría de las aplicaciones de ensayo de tracción de metales y composites. Se requiere una bomba de mordaza hidráulica si se instalan en un sistema electromecánico. Hasta 500 kN de capacidad de fuerza.
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Mordazas de rodillo excéntrico autoajustables
N.º de catálogo 2713-XXX
Mordazas de tracción autoajustables, sencillas y eficientes, perfectas para elastómeros y películas finas. Hasta 5 kN de capacidad de fuerza.
Más información
Mordazas neumáticas para cordón e hilo
N.º de catálogo 2810-410, 2714-XXX
Mordazas diseñadas específicamente para ensayos de tracción de hilo, hebra, cuerda, cordón, tubo, suturas y alambre.
Más información
Mordazas hidráulicas de cuña
N.º de catálogo W-52XX, 53XX
Mordazas hidráulicas de cuña para sistemas universales de ensayos hidráulicos estáticos de alta capacidad de Instron. Hasta 2.000 kN de capacidad de fuerza.
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Mordazas hidráulicas de acción lateral
N.º de catálogo W-54XX
Las mordazas hidráulicas de acción lateral DuraSync™ de alta capacidad ofrecen un rendimiento de sujeción mejorado, mayor facilidad de uso y más seguridad para el operador frente a los diseños de mordaza tradicionales. Hasta 2.000 kN de capacidad de fuerza.
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Extensómetros: soluciones de contacto y sin contacto para la medición de deformación
Extensómetro de vídeo automático sin contacto
Un extensómetro de vídeo es un extensómetro sin contacto que puede medir la deformación siguiendo el movimiento de dos marcadores acoplados a la probeta, mediante tecnología de cámara digital de alta resolución.
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Extensómetro automático de contacto
N.º de catálogo 2665-750
El AutoX750 maximiza la eficiencia y los ingresos, manteniendo al mismo tiempo altos estándares de calidad y condiciones de funcionamiento seguras.
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Extensómetro axial estático de pinza
N.º de catálogo 2630-XXX
Los extensómetros axiales estáticos de pinza de Instron son una solución rápida y sencilla para medir la deformación y son adecuados para su uso en una amplia gama de materiales, como plásticos, metales y composites.
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Normas de ensayo de tracción para metales, plásticos, elastómeros y más
La mayoría de los ensayos de tracción se realizan conforme a normas establecidas publicadas por organismos de normalización como ASTM e ISO. Las normas de ensayo prescriben parámetros y resultados aceptables para diferentes tipos de materias primas como metales, plásticos, elastómeros, textiles y composites, así como para productos terminados como dispositivos médicos, piezas de automoción y electrónica de consumo. Estas normas garantizan que los materiales y productos que entran en la cadena de suministro presenten propiedades mecánicas previsibles y no sean propensos a fallar en su uso final previsto. Dado que las implicaciones de coste y seguridad de un fallo de producto no pueden subestimarse, se anima a las empresas a invertir en equipos de ensayo de alta calidad y precisión, diseñados para ayudarles a determinar fácilmente si sus productos cumplen o no las normas aplicables.
ASTM D638 / ISO 527-2
ASTM D638 e ISO 527-2 son dos de las normas más comunes utilizadas para evaluar las propiedades a tracción de plásticos reforzados y no reforzados. Aunque estas normas miden muchas propiedades a tracción diferentes, las más habituales son la resistencia a la tracción, el módulo a tracción, la elongación y el coeficiente de Poisson.
ASTM D412 / ISO 37
ASTM D412 e ISO 37 son las normas más comunes para determinar las propiedades a tracción del caucho vulcanizado (termoestable) y de los elastómeros termoplásticos. Los compuestos de esta familia se utilizan para crear una amplia gama de productos, desde neumáticos hasta guantes médicos y juntas tóricas. Las mediciones clave para el ensayo de elastómeros incluyen la elongación última y la deformación permanente por tracción.
ASTM E8 / ASTM A370 / ISO 6892
ASTM E8, ASTM A370 e ISO 6892 son normas principales para el ensayo de tracción de metales y materiales metálicos. Los métodos de control del ensayo son una consideración importante en el ensayo de metales, y es necesario comprender a fondo la conformidad del travesaño y el control de la deformación para producir resultados de ensayo precisos.
A continuación se muestra una lista de algunas de las normas internacionales de ensayo más comunes. Garantizar el cumplimiento de estas normas puede ser complejo, pero el software Bluehill Universal® simplifica el proceso con métodos de ensayo preconfigurados diseñados para reducir el tiempo de configuración y minimizar el riesgo de error de procedimiento.
- ASTM A370 | Métodos de ensayo estándar y definiciones para el ensayo mecánico de productos de acero
- ASTM A416 | Especificación estándar para cordón de acero de siete alambres, de baja relajación, para hormigón pretensado
- ASTM A48 | Especificación estándar para piezas de fundición de hierro gris
- ASTM A746 | Especificación estándar para tubería de alcantarillado por gravedad de hierro dúctil
- ASTM A996 | Especificación estándar para barras corrugadas de acero para carril y acero para ejes, para refuerzo de hormigón
- ASTM C297 | Método de ensayo estándar para la resistencia a tracción plana de construcciones tipo sándwich
- ASTM D1037 | Métodos de ensayo estándar para evaluar propiedades de materiales de paneles de fibras y partículas a base de madera
- ASTM D1414 | Métodos de ensayo estándar para juntas tóricas de caucho
- ASTM D1708 | Método de ensayo estándar para propiedades a tracción de plásticos mediante el uso de probetas microtensiles
- ASTM D2256 | Método de ensayo estándar para propiedades a tracción de hilos mediante el método de hebra única
- ASTM D3039 | Método de ensayo estándar para propiedades a tracción de materiales compuestos de matriz polimérica
- ASTM D4018 | Métodos de ensayo estándar para propiedades de mechas de filamento continuo de fibra de carbono y grafito
- ASTM D412 | Métodos de ensayo estándar para caucho vulcanizado y elastómeros termoplásticos—Tracción
- ASTM D4632 | Método de ensayo estándar para carga de rotura por agarre y elongación de geotextiles
- ASTM D5034 | Método de ensayo estándar para resistencia a la rotura y elongación de tejidos textiles (ensayo de agarre)
- ASTM D5035 | Método de ensayo estándar para fuerza de rotura y elongación de tejidos textiles (método de tira)
- ASTM D5766 | Método de ensayo estándar para resistencia a tracción con orificio abierto de laminados compuestos de matriz polimérica
- ASTM D5961 | Método de ensayo estándar para la respuesta al aplastamiento de laminados compuestos de matriz polimérica
- ASTM D638 | Método de ensayo estándar para propiedades a tracción de plásticos
- ASTM D7269 | Métodos de ensayo estándar para ensayos de tracción de hilos de aramida
- ASTM D882 | Método de ensayo estándar para propiedades a tracción de láminas plásticas finas
- ASTM A416 | Especificación estándar para cordón de acero de siete alambres, de baja relajación, para hormigón pretensado
- ASTM D885 | Métodos de ensayo estándar para cordones de neumáticos, tejidos de cordón de neumáticos e hilos de filamento industrial
- ASTM F2150 | Ensayo de tracción de hidrogeles poliméricos
- ASTM F606 | Ensayo de tracción de elementos de fijación, arandelas, indicadores de tensión directa y remaches
- ASTM F2516 | Método de ensayo estándar para el ensayo de tracción de materiales superelásticos de níquel-titanio
- ASTM E8 | Métodos de ensayo estándar para el ensayo de tracción de materiales metálicos