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¿Qué es un ensayo de torsión?

Un ensayo de torsión es un tipo de ensayo mecánico que evalúa las propiedades de materiales o dispositivos bajo tensión por desplazamiento angular; básicamente, se tuerce una probeta y se mide cómo responde. Este tipo de carga se produce constantemente en el mundo real, desde un árbol de transmisión que transmite potencia en un vehículo hasta un tapón de botella que se gira para abrirlo, lo que convierte los ensayos de torsión en una herramienta esencial para comprender cómo se comportarán realmente los materiales y productos en servicio.

Los ensayos de torsión se pueden dividir en dos categorías distintas: ensayos de materias primas, como alambres metálicos o tubos de plástico, para determinar propiedades fundamentales como la resistencia a la cizalladura y el módulo, o ensayos funcionales de productos acabados sometidos a torsión, como tornillos, botellas farmacéuticas y cables revestidos. El primer enfoque ayuda a los proveedores de materiales e ingenieros a caracterizar un material antes de que se incorpore a un producto, mientras que el segundo verifica que una pieza o conjunto terminado pueda soportar las fuerzas de torsión que encontrará a lo largo de su vida útil.

Las propiedades mecánicas más habituales medidas mediante ensayos de torsión son el módulo de elasticidad en cizalladura, la resistencia a la cizalladura en el límite elástico, la resistencia última a la cizalladura, el módulo de rotura en cizalladura y la ductilidad. En conjunto, estas propiedades ofrecen a los ingenieros una imagen completa de cómo se comportará un material o componente bajo carga de torsión, desde su respuesta elástica inicial, pasando por el punto de deformación permanente, hasta el fallo final.

¿Por qué realizar un ensayo de torsión?

Muchos productos y componentes están sometidos a fuerzas de torsión durante su funcionamiento. Los ensayos de torsión son necesarios cuando los ingenieros desean cambiar o actualizar los materiales utilizados en estos productos. Por ejemplo, el metal utilizado en las transmisiones de vehículos experimenta una carga combinada compleja en uso, siendo la torsión el componente principal. Un ingeniero que intente diseñar un vehículo más eficiente en combustible puede necesitar cambiar el material del árbol de transmisión para reducir el peso del vehículo. Los ensayos de torsión pueden ayudar al ingeniero a identificar un material apropiado que posea la resistencia a la torsión requerida y que también contribuya al objetivo de reducción de peso.

Muchos productos acabados también están sometidos a fuerzas de torsión durante su funcionamiento. Productos como tubos biomédicos, interruptores y elementos de fijación son solo algunos dispositivos sometidos a tensiones de torsión en el uso cotidiano. Al ensayar sus productos en torsión, los fabricantes pueden simular condiciones de servicio reales, comprobar la calidad del producto, verificar diseños y garantizar técnicas de fabricación adecuadas.

| Instron Tres ejemplos de configuraciones de ensayos de torsión: un accesorio para tapón de botella en un sistema de ensayo universal, un cilindro de cerradura de puerta que se ensaya con una llave y una jeringa o vial asegurado en un accesorio de mordaza de torsión.

Tipos de ensayos de torsión

Los ensayos de torsión se pueden realizar aplicando únicamente un movimiento de rotación, o aplicando fuerzas tanto axiales (tracción o compresión) como de torsión. Los tipos de ensayos de torsión varían de un producto a otro, pero generalmente se pueden clasificar como ensayos de fallo, de prueba o de funcionamiento del producto.

  • Solo torsión: aplicación únicamente de cargas de torsión a la probeta de ensayo.
  • Axial-torsión: aplicación de fuerzas tanto axiales (tracción o compresión) como de torsión a la probeta de ensayo.
  • Ensayo de fallo: torsión del producto, componente o probeta hasta el fallo. El fallo se puede clasificar como una rotura física o una torcedura/defecto en la probeta.
  • Ensayo de prueba: aplicación de una carga de torsión y mantenimiento de esta carga de par durante un tiempo fijo.
  • Ensayo funcional: ensayo de conjuntos o productos completos, como tapones de botellas, interruptores, bolígrafos de dial o columnas de dirección, para verificar que el producto funciona como se espera bajo cargas de torsión.

Equipamiento para ensayos de torsión

Los ensayos de torsión se pueden realizar en varios sistemas de ensayo diferentes, según la aplicación específica. Un sistema de ensayo universal, como la Serie 6800, se puede configurar con un complemento de torsión que permite al sistema realizar ensayos biaxiales (carga axial y de torsión simultánea e independiente). Los ensayos funcionales de productos acabados se realizan a menudo en un sistema de fatiga dinámica, como el ElectroPuls® de Instron.

Según la probeta, los ensayos de torsión también dependen de mordazas y accesorios especializados, como mordazas de torsión para alambre para probetas de alambre redondo, o accesorios personalizados diseñados para sujetar productos acabados como tapones de botellas o elementos de fijación de forma segura sin que se deslicen bajo carga angular.

Cálculo de resultados

La curva de par frente a rotación producida al ensayar materias primas en torsión es, en muchos aspectos, análoga a la curva de fuerza-desplazamiento capturada durante los ensayos axiales. La mayoría de los materiales exhiben una región lineal similar, que representa el módulo de cizalladura, seguida del límite elástico y el fallo final.

Al igual que en los ensayos axiales, la geometría de la probeta desempeña un papel importante en los resultados de los ensayos de torsión: factores como la longitud calibrada y la forma de la sección transversal pueden influir en los valores calculados del módulo de cizalladura y la resistencia, por lo que una preparación coherente de la probeta es importante para obtener resultados repetibles.

| Instron Curva de par frente a rotación que muestra el par aumentando hasta aproximadamente 0,5 N·m a lo largo de 60 revoluciones, seguido de una caída brusca que indica el fallo de la probeta.
Curva de par frente a rotación que muestra el par aumentando hasta aproximadamente 0,5 N·m a lo largo de 60 revoluciones, seguido de una caída brusca que indica el fallo de la probeta.

Normas habituales de ensayos de torsión

Los ensayos de torsión se rigen por una serie de normas del sector, según el material o producto que se evalúe. La tabla siguiente destaca algunas de las normas más habituales que Instron admite, abarcando dispositivos médicos, alambre metálico y conectores de fluidos.

Norma Descripción
ASTM F543 Ensayos axiales y de torsión de tornillos óseos
ASTM A938 / ISO 7800 Ensayos de torsión de alambre metálico
ISO 594 / ISO 80369 Ensayos de accesorios Luer cónicos
ISO 7206 Ensayos de resistencia y fatiga de implantes de cadera artificiales

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