Las propiedades mecánicas son esenciales para describir el comportamiento de un material cuando se le aplica una carga. Para observar la respuesta de un material a una fuerza externa aplicada se han desarrollado numerosos ensayos, como los de tracción, compresión, impacto, flexión, cizallamiento, torsión y dureza. Estas propiedades son importantes para que los diseñadores de ingeniería puedan seleccionar los materiales adecuados para las diferentes aplicaciones.
¿Qué es el alargamiento de un material?
El alargamiento es una medida de la deformación que se produce antes de que un material acabe por romperse cuando se somete a una carga de tracción. Al aplicar ésta, se produce un aumento de la longitud y una reducción uniforme del área de la sección transversal, mientras que el material mantiene un volumen constante. El alargamiento por dilatación también puede producirse cuando un material sufre un aumento de temperatura, o si sobre un material actúan simultáneamente una fuerza axial y una temperatura elevada.
¿Cómo se mide el alargamiento?
La medición del alargamiento del material debido a la fuerza axial suele realizarse mediante un ensayo estándar de resistencia a la tracción. Una tira o varilla con una longitud determinada y una sección transversal uniforme, fijada en un extremo, se somete a una carga de tracción a lo largo del eje de la muestra. Se trazan marcas de calibre en la probeta al colocarla en las mordazas de la máquina de ensayo para definir la longitud de calibre. La carga axial se incrementa gradualmente y se observa el alargamiento hasta que el material se rompe o se fractura mecánicamente. Este ensayo suele ser normalizado, realizado a velocidad de carga constante, y es destructivo. La longitud de la galga o de la calibración debe ser lo suficientemente larga para garantizar que el esfuerzo de tracción se transmita de manera uniforme.
Imagen 1 de referencia. Fuente- https://www.admet.com/wp-content/uploads/2017/07/ductile-specimen-shape-during-testing.png
La progresión típica de un ensayo de tracción comienza con la probeta situada en ausencia de carga. En la aplicación inicial de la carga, se observa un alargamiento uniforme y una reducción del área de la sección transversal. Esto continúa hasta que se alcanza la carga máxima. A partir de ese momento, se produce un estrangulamiento que hace que la siguiente deformación no sea uniforme y tenga lugar únicamente en el cuello. La tensión verdadera local continúa aumentando a medida que el área del cuello disminuye hasta que se alcanza la fractura.
La fórmula para el alargamiento en cualquier longitud L durante el ensayo de tracción es:
donde,
δ = alargamiento, (pulg. o mm)
L0 = longitud de galga inicial entre marcas, (pulg. o mm)
L = longitud entre marcas en cualquier punto durante el alargamiento uniforme, (pulg. o mm)
Durante un ensayo de tracción, se toman simultáneamente las lecturas de la carga aplicada y del alargamiento de la longitud de galga. Estos datos pueden representarse en un gráfico denominado curva tensión-deformación. La curva de tensión-deformación es esencial para entender las propiedades del material, ya que muestra la relación básica entre la tensión de ingeniería y la deformación de ingeniería .
La fórmula de la tensión técnica, que muestra la influencia de la carga aplicada sobre el área de la sección transversal original, es:
donde,
σ = tensión técnica, (lb/sq. in o MPa)
P = carga aplicada, (lb o N)
A0 = área de la sección transversal original, (sq. in o sq. mm)
La deformación técnica, por otra parte, se mide como la relación entre el alargamiento y la longitud de la galga:
donde,
ε = deformación técnica, (sin unidades)
δ = alargamiento en cualquier punto durante la etapa de alargamiento uniforme, (pulg. o mm)
L0 = longitud inicial de la galga entre marcas (pulg. o mm)
¿Qué es el porcentaje de alargamiento?
Supongamos que tenemos una varilla que ha sido sometida a un ensayo de resistencia a la tracción. Utilizando un extensómetro, podemos medir la longitud de calibre original Lo y una longitud de calibre final Lf después del cuello y la fractura. La relación entre la diferencia de la longitud final y la original y la propia longitud original se conoce como porcentaje de alargamiento (%δ).
donde,
%δ = porcentaje de alargamiento, (%)
Lf = longitud final de la probeta, (pulg. o mm)
Lo = longitud original de la probeta, (pulg. o mm)
Esta medida representa una propiedad del material llamada ductilidad .
¿Por qué calcular el alargamiento del material?
La realización de un ensayo de tracción para determinar el alargamiento de diferentes materiales es importante para evaluar sus posibles usos. Por ejemplo, los materiales con un alargamiento elevado -es decir, una buena ductilidad- son fundamentales en componentes que requieren la absorción de energía por deformación plástica, como las barreras de seguridad y los parachoques.
Para los procesos de fabricación, conocer esta propiedad es esencial para aplicar métricas de control de calidad.
Para los ingenieros de materiales y de fabricación, estas propiedades se estudian para evaluar los puntos débiles y las limitaciones de los materiales con el fin de mejorarlos y explorar alternativas .