Resultados del ensayo de tracción del acero y curvas de esfuerzo–deformación

Qué mide realmente un ensayo de tracción del acero

Un ensayo de tracción del acero es un experimento controlado en el que una probeta metálica se somete a tracción a lo largo de un eje definido hasta que alcanza la fluencia, se deforma, experimenta estricción y, por lo general, se fractura. La máquina registra la fuerza y el desplazamiento; la curva tensión–deformación informada se calcula a partir de esas mediciones y de las dimensiones tomadas antes y después del ensayo. No constituye una clasificación directa de los tipos de acero independiente de la configuración del ensayo.

La probeta, el eje de carga y el ensayo a temperatura ambiente

Sección calibradaSección calibrada Porción reducida de una probeta de tracción situada entre los extremos sujetos por las mordazas, donde se pretende que ocurran la deformación y la fractura.

La probeta tiene una sección reducida, denominada sección calibrada, entre extremos más anchos que encajan en las mordazas de la máquina de ensayo. Su área inicial de la sección transversal, $A_0$, y su longitud calibrada inicial, $L_0$, deben medirse antes de aplicar la carga. Las probetas pueden ser redondas o planas, y sus dimensiones, la forma de los hombros, la disposición de las mordazas y la longitud calibrada están controladas por la norma aplicable. Una probeta plana cortada en paralelo a la dirección de laminación no produce necesariamente el mismo alargamiento que una cortada transversalmente a dicha dirección, porque el laminado puede generar diferencias direccionales en la microestructura y en la respuesta mecánica.

El eje de carga debe pasar por la línea central prevista de la probeta. La desalineación introduce flexión, de modo que un lado de la sección calibrada puede experimentar una tensión mayor que el otro. Por tanto, la máquina mide una respuesta que refleja tanto la tracción como la flexión no deseada. El deslizamiento en las mordazas, un hombro mecanizado de forma deficiente, los daños superficiales o una marca incorrecta de la longitud calibrada también pueden alterar el resultado.

ASTM E8/E8M-21 contempla los ensayos de tracción de materiales metálicos a temperatura ambiente. Incluye procedimientos para determinar el límite elástico, el alargamiento en el punto de fluencia, la resistencia a la tracción, el alargamiento y la reducción de área. La norma ISO 6892-1:2019 también especifica un método de ensayo de tracción a temperatura ambiente para materiales metálicos y define las propiedades mecánicas que pueden obtenerse mediante dicho ensayo. Por tanto, la «temperatura ambiente» forma parte de la descripción del ensayo, y no es una suposición que pueda omitirse. Un resultado obtenido con una probeta calentada o en un ensayo en horno a alta temperatura corresponde a una condición de ensayo diferente.

Velocidad de deformación promedio (s^-1)

La probeta se somete a carga monotónica, pero la velocidad es importante. La máquina de ensayo puede controlar la velocidad del cabezal, la velocidad de deformación u otro parámetro relacionado con la velocidad, dependiendo de la norma y del procedimiento. Los datos del NIST para el acero ASTM A1008 incluyen velocidades medias de deformación de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ y ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$. Estos valores están separados por cuatro órdenes de magnitud. A velocidades más altas, la tensión de flujo medida puede cambiar, y los valores aparentes del límite elástico y de la resistencia a la tracción pueden desplazarse.

Propiedades mecánicas informadas a partir del ensayo

La tensión ingenieril se calcula dividiendo la fuerza entre el área inicial de la sección transversal de la probeta:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}.$$

La deformación ingenieril es el cambio en la longitud calibrada dividido entre su valor inicial:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}.$$

La Michigan Technological University y Georgia Tech describen estas convenciones utilizando la misma base de área inicial y longitud calibrada inicial. En consecuencia, la tensión ingenieril no actualiza continuamente el área a medida que la probeta se estrecha.

Alargamiento en el punto de fluenciaAlargamiento en el punto de fluencia Extensión plástica que ocurre a lo largo de un intervalo de deformación medible durante el cual el esfuerzo ingenieril permanece casi constante o sigue un patrón característico de punto de fluencia.

La primera porción recta de la curva indica un comportamiento elástico proporcional. El DOE Fundamentals Handbook identifica el límite de proporcionalidad, el límite elástico, la resistencia última y el punto de fractura en una curva ingenieril típica para acero estructural. El límite elástico puede identificarse mediante un punto de fluencia definido o mediante un método de desplazamiento especificado, normalmente un 0,2 % de deformación de prueba o de desplazamiento cuando no aparece un punto de fluencia bien definido. Algunos aceros presentan un alargamiento en el punto de fluencia: la probeta se extiende plásticamente a lo largo de un intervalo de deformación medible mientras la tensión permanece casi constante o cambia de una manera característica. ASTM E8/E8M-21 incluye explícitamente el alargamiento en el punto de fluencia entre las magnitudes determinadas por el ensayo.

La resistencia a la tracción, también denominada resistencia última a la tracción en muchos informes, es la tensión ingenieril máxima. Se produce antes o aproximadamente al inicio de la estricción localizada. Después de que comienza la estricción, el área real en la zona estrangulada continúa disminuyendo, mientras que la tensión ingenieril sigue utilizando $A_0$; por tanto, la curva representada puede descender aunque la tensión verdadera local aumente. El material de laboratorio del MIT de 2004 distingue entre la resistencia a la tracción obtenida de una curva de tensión–deformación ingenieril y la resistencia verdadera a la tracción, que tiene en cuenta la reducción de la sección transversal.

El alargamiento es el aumento permanente de la longitud calibrada especificada después de la fractura, expresado como porcentaje. Su valor depende considerablemente de la longitud calibrada: una longitud calibrada corta puede incluir una mayor proporción de estricción localizada y a menudo produce un porcentaje diferente al de una longitud más larga. La reducción de área se calcula a partir del área inicial y del área final mínima en la región de fractura. Describe la contracción localizada y no es intercambiable con el alargamiento.

Un experimento de la Syracuse University sobre acero al carbono 1018 utilizó probetas planas de tracción conforme a ASTM para determinar la tensión de fluencia, la tensión última y la tensión de rotura. Este ejemplo muestra por qué incluso una designación conocida como 1018 debe ir acompañada de los detalles de la probeta y del procedimiento.

Por qué un resultado es inseparable de su método de ensayo

Un valor informado como «límite elástico del acero: 350 MPa» está incompleto. El lector necesita conocer el grado y la condición del producto, la geometría de la probeta, la dirección de carga, el área inicial, la longitud calibrada, la temperatura, la velocidad de deformación o el requisito de velocidad de la máquina, el extensómetro o método de medición del desplazamiento, la definición del límite elástico y la norma aplicable.

La técnica de medición puede modificar la curva. El trabajo del NIST sobre ASTM A1008 utilizó correlación digital de imágenes para determinar el desplazamiento y la deformación a las velocidades de deformación indicadas, en lugar de basarse únicamente en el recorrido del cabezal. El desplazamiento del cabezal incluye la deformabilidad de la máquina y de las mordazas; no es automáticamente igual a la deformación dentro de la sección calibrada. El National Bureau of Standards también informó de que las tensiones de prueba en aceros inoxidables y metales no ferrosos pueden verse afectadas por la deformación plástica previa, los intervalos de reposo, la tensión interna y el endurecimiento por deformación.

A velocidades todavía más altas, la distinción se vuelve más marcada. Un informe del NIST sobre acero estructural presenta curvas a velocidades altas de deformación para acero de columnas perimetrales con un límite elástico especificado de 50 ksi. Estas curvas no pueden compararse directamente con una curva de laboratorio lenta a temperatura ambiente como si solo importara el grado. El resultado del ensayo es una medición del acero junto con una probeta, un método y una condición definidos. Si se eliminan esas definiciones, el número pierde su significado ingenieril.

Cómo se calculan el esfuerzo ingenieril y la deformación ingenieril

Una máquina de ensayo de tracción registra la fuerza y el desplazamiento, pero una curva de esfuerzo–deformación requiere que esas mediciones se reduzcan utilizando las dimensiones definidas de la probeta. Las magnitudes ingenieriles que se representan habitualmente se refieren a la probeta antes de la carga, no a su forma, que cambia continuamente. Esta elección hace que los resultados sean sencillos de calcular y comparar, siempre que se indiquen la geometría de la probeta, la longitud calibrada, la norma de ensayo y el método de medición.

Esfuerzo ingenieril: F dividida por el área inicial

El esfuerzo ingenieril se calcula dividiendo la fuerza de tracción aplicada entre el área transversal original de la probeta:

$${\sigma }_e=\frac{F}{A_0}$$

Aquí, ${\sigma }_e$ es el esfuerzo ingenieril, $F$ es la fuerza de tracción y $A_0$ es el área transversal medida antes de que comience el ensayo. Para una probeta plana rectangular,

$$A_0=w_0{t}_0$$

donde $w_0$ es el ancho original de la probeta y $t_0$ es su espesor original. Para una probeta redonda,

$$A_0=\frac{\pi d_0^2}{4}$$

donde $d_0$ es el diámetro inicial.

Normalmente, la fuerza se registra en newtons (N), mientras que el área puede registrarse en milímetros cuadrados (mm²). El esfuerzo resultante se expresa entonces en N/mm², unidad numéricamente equivalente a los megapascales (MPa), ya que $1{\text{N/mm}}^2=1\text{MPa}$. Si la fuerza se expresa en kilonewtons y el área en milímetros cuadrados, la fuerza debe convertirse a newtons antes de calcular el valor en MPa. El esfuerzo también puede expresarse en pascales o libras por pulgada cuadrada (psi), pero la conversión de unidades debe aplicarse de manera coherente.

El uso de $A_0$ es deliberado. A medida que se somete a tracción una probeta de acero, su área transversal suele disminuir primero por contracción elástica y después por deformación plástica. Una vez que comienza la estricción localizada, la reducción se concentra en una región más pequeña. El esfuerzo ingenieril no recalcula el denominador en cada instante; continúa dividiendo la fuerza medida entre el área que existía antes de la aplicación de la carga. Esta convención mantiene un estado de referencia común para cada punto de la curva.

El resultado no es igual al esfuerzo verdadero. El esfuerzo verdadero utiliza el área instantánea, que normalmente se expresa como ${\sigma }_t=F/A$, donde $A$ es el área local actual. En consecuencia, la curva ingenieril puede descender después de alcanzar su fuerza máxima, incluso mientras el esfuerzo local en una región con estricción continúa aumentando. El material de laboratorio de 2004 del Massachusetts Institute of Technology distingue entre la resistencia a la tracción obtenida de una curva de esfuerzo–deformación ingenieril y la resistencia a la tracción verdadera, que tiene en cuenta la reducción del área transversal.

Deformación ingenieril: alargamiento dividido por la longitud calibrada inicial

La deformación ingenieril es el cambio en la longitud calibrada dividido por la longitud calibrada original:

$${\epsilon }_e=\frac{L-L_0}{L_0}$$

El Georgia Institute of Technology proporciona la notación equivalente ${\epsilon }_e=(l-l_0)/l_0$. En estas expresiones, $L_0$ o $l_0$ es la longitud calibrada original, y $L$ o $l$ es la longitud calibrada medida durante el ensayo. Su diferencia, $L-L_0$, es el alargamiento.

La deformación no tiene unidad física porque es una longitud dividida por otra longitud. Habitualmente se expresa como un número decimal o se multiplica por 100 y se presenta como porcentaje. Un alargamiento de 0,25 mm a partir de una longitud calibrada original de 50,00 mm da como resultado

$${\epsilon }_e=\frac{0.25}{50.00}=0.005$$

o una deformación ingenieril del 0,5 %.

La longitud calibrada original permanece en el denominador incluso después de que la probeta se haya alargado, porque la deformación ingenieril es un cambio normalizado con respecto a la geometría inicial. Esto hace que el valor informado dependa de la longitud calibrada definida, y no únicamente del movimiento del travesaño de la máquina. Un alargamiento de 2 mm equivale a una deformación del 4 % en una longitud calibrada de 50 mm, pero solo del 2 % en una longitud calibrada de 100 mm. Por tanto, los resultados de alargamiento no pueden compararse de manera responsable cuando difieren las definiciones de la longitud calibrada.

La Michigan Technological University expresa la deformación ingenieril como el desplazamiento dividido por la longitud calibrada inicial, mientras que su definición del esfuerzo ingenieril utiliza la carga dividida por el área transversal inicial. Estas definiciones son sencillas, pero solo son reproducibles cuando se conocen $L_0$, $A_0$ y la manera en que se midió el desplazamiento.

Unidades, dimensiones de la probeta y reducción de datos

La reducción de datos comienza antes de la primera lectura de fuerza. El operador registra el tipo de probeta, el ancho, el espesor o el diámetro y la longitud calibrada; después calcula $A_0$ a partir de las dimensiones especificadas. La máquina de tracción proporciona la fuerza en función del tiempo o del desplazamiento. Un extensómetro, una galga extensométrica o un sistema óptico proporciona el cambio en la longitud calibrada. Cada par de datos registrado se reduce mediante $F/A_0$ y $(L-L_0)/L_0$, produciendo la curva de esfuerzo–deformación ingenieril.

La medición del desplazamiento es importante. El recorrido del travesaño incluye la deformación en las mordazas, el bastidor de la máquina y otros componentes, mientras que un extensómetro mide una sección calibrada definida. La correlación digital de imágenes puede medir ópticamente el desplazamiento y los campos de deformación local. Los ensayos realizados por NIST en acero ASTM A1008 examinaron velocidades de deformación medias de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ y ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, utilizando correlación digital de imágenes para medir el desplazamiento y la deformación. Por tanto, la curva resultante está vinculada tanto a la velocidad de carga como al método de medición.[1][1] Standard Specification for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM International. ASTM International standard, 2021.[2][2] Metallic materials — Tensile testing — Part 1: Method of test at room temperature. International Organization for Standardization. ISO standard, 2019.[3][3] Properties of Metals. U.S. Department of Energy. DOE Fundamentals Handbook reference.

La norma ASTM E8/E8M-21 abarca los ensayos de tracción a temperatura ambiente de materiales metálicos y aborda el límite elástico, el alargamiento en el punto de fluencia, la resistencia a la tracción, el alargamiento y la reducción de área. La norma ISO 6892-1:2019 también especifica los ensayos de tracción a temperatura ambiente de materiales metálicos y las propiedades mecánicas que se obtienen de ellos. Estas normas definen más que ecuaciones: controlan la geometría de la probeta, la alineación, la longitud calibrada, la velocidad de carga y los procedimientos de información. La curva típica del acero estructural del U.S. Department of Energy identifica el límite de proporcionalidad, el límite elástico, la resistencia última y el punto de fractura, pero cada denominación depende de este proceso previo de medición y reducción. Una curva solo es tan reproducible como las dimensiones y los métodos que sustentan sus ejes.

Lectura de la curva de esfuerzo–deformación ingenieril

Una curva de tracción es un registro de cómo responde una probeta definida al aumento de la carga. No constituye una clasificación universal de los grados de acero. El resultado informado depende de la forma de la probeta, el área inicial de su sección transversal, la longitud calibrada, la velocidad de aplicación de la carga, el extensómetro o método de desplazamiento, la norma de ensayo y la convención utilizada para calcular el esfuerzo y la deformación.

En una curva de esfuerzo–deformación ingenieril, el esfuerzo ingenieril es

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}$$

donde $F$ es la carga aplicada y $A_0$ es el área inicial de la sección transversal de la probeta. La deformación ingenieril es

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}$$

donde $L_0$ es la longitud calibrada inicial y $L$ es la longitud calibrada medida durante la aplicación de la carga. Estas definiciones figuran en materiales didácticos de Michigan Technological University y del Georgia Institute of Technology. Puesto que el área y la longitud originales permanecen en los denominadores, la curva no muestra directamente el esfuerzo y la deformación locales cambiantes después de que la probeta comienza a contraerse.

ASTM E8/E8M-21 abarca los ensayos de tracción a temperatura ambiente de materiales metálicos y la determinación de la resistencia a la fluencia, el alargamiento del punto de fluencia, la resistencia a la tracción, el alargamiento y la reducción de área. ISO 6892-1:2019 especifica un método de ensayo de tracción a temperatura ambiente y define las propiedades mecánicas que pueden obtenerse mediante este. Por lo tanto, la curva debe interpretarse junto con el registro del ensayo, no separada de este.

Respuesta elástica y límite de proporcionalidad

En el origen, tanto la carga como la deformación son cero. Durante la primera parte de la curva, el esfuerzo aumenta aproximadamente en proporción a la deformación. Si se retira la carga en esta región, la probeta vuelve a sus dimensiones originales, salvo por pequeños errores experimentales. Esta es la deformación elástica: los enlaces atómicos se desplazan, pero el material no ha acumulado un cambio permanente de forma.

La pendiente de esta porción recta inicial es el módulo de Young, $E$:

$$E=\frac{\Delta \sigma }{\Delta \epsilon }$$

En un acero ensayado en condiciones ordinarias, esta pendiente suele estar cerca de 200 GPa, aunque el valor medido puede variar según la alineación, la precisión del extensómetro, la temperatura y la porción de los datos seleccionada. No debe confundirse con la resistencia a la fluencia. El módulo describe la rigidez; la resistencia a la fluencia describe el esfuerzo asociado con el inicio o con una cantidad especificada de deformación plástica.

El DOE Fundamentals Handbook denomina límite de proporcionalidad al final de la porción estrictamente lineal. Más allá de este punto, la curva puede seguir siendo parcialmente elástica, pero ya no es exactamente proporcional. Una probeta descargada justo por encima del límite de proporcionalidad puede recuperar la mayor parte de su deformación, pero conservar un pequeño alargamiento permanente. Una vez que comienza la deformación plástica, la deformación total puede considerarse como la suma de la deformación elástica y la deformación plástica:

$${\epsilon }_{\mathrm{total}}={\epsilon }_{\mathrm{elastic}}+{\epsilon }_{\mathrm{plastic}}$$

Esta distinción es importante al interpretar el alargamiento. La deformación visible en la máquina de ensayo es la deformación total; solo el componente elástico desaparece al descargar.

Resistencia a la fluencia y alargamiento del punto de fluencia

La fluencia marca la transición hacia un flujo plástico considerable. En un acero con un punto de fluencia definido, la curva puede ascender hasta un punto de fluencia superior, descender hasta un punto de fluencia inferior y continuar después a través de una región relativamente plana. El alargamiento asociado se denomina alargamiento del punto de fluencia. La probeta continúa alargándose mientras el esfuerzo ingenieril cambia poco, y las bandas de Lüders pueden propagarse a lo largo de la longitud calibrada.

Este comportamiento se asocia habitualmente con algunos aceros de bajo contenido de carbono, incluidos ciertos productos laminados en forma de chapa y productos estructurales, pero no debe suponerse para todos los grados de acero ni para todos los registros de ensayo. Un acero con fluencia continua puede no mostrar un punto de fluencia superior o inferior marcado. El trabajo en frío, el historial de recocido, el carbono y el nitrógeno intersticiales, el envejecimiento, la geometría de la probeta y la velocidad de deformación pueden modificar o eliminar la característica del punto de fluencia.

Cuando no puede medirse un punto de fluencia definido, una norma puede especificar un método de desplazamiento. El conocido esfuerzo de prueba del 0,2 % se obtiene trazando una línea paralela a la pendiente elástica inicial, desplazada en una deformación de 0,002; su intersección con la curva define el valor informado. «Resistencia a la fluencia» y «esfuerzo de prueba del 0,2 %» no deben tratarse como denominaciones intercambiables, a menos que la norma aplicable y el informe establezcan claramente esa correspondencia. Un informe del National Bureau of Standards sobre los esfuerzos de prueba en aceros inoxidables y metales no ferrosos documenta los efectos de la deformación plástica previa, los intervalos de reposo, el esfuerzo interno y el endurecimiento por deformación sobre este tipo de mediciones.

Después de la fluencia, se acumula deformación plástica. La descarga en cualquier punto produce una recuperación elástica, pero la probeta permanece más larga y, después de una carga suficiente, más estrecha que al inicio. La recarga puede seguir una trayectoria desplazada debido al endurecimiento por deformación.

Resistencia última a la tracción, estricción y fractura

Después del alargamiento del punto de fluencia, o de la fluencia continua cuando no existe una meseta, la curva generalmente vuelve a ascender a medida que el endurecimiento por deformación incrementa el esfuerzo necesario para continuar la deformación plástica. El esfuerzo ingenieril máximo es la resistencia última a la tracción (UTS), denominada resistencia última en el DOE Fundamentals Handbook. Se calcula utilizando el área original $A_0$, aunque la probeta ya se haya alargado y su sección transversal haya cambiado.

En la UTS suele comenzar la deformación localizada. Se forma una estricción en la sección calibrada, concentrando la deformación en una región más pequeña. El área real de la estricción disminuye rápidamente, por lo que el esfuerzo verdadero local puede continuar aumentando incluso mientras la curva ingenieril desciende. Por lo tanto, la rama descendente no significa que el esfuerzo resistente local del material haya desaparecido simplemente; refleja el uso del área inicial en el cálculo del esfuerzo ingenieril.

Los apuntes de 2004 del Civil Engineering Materials Laboratory del MIT distinguen entre la resistencia a la tracción obtenida de una curva ingenieril y la resistencia verdadera a la tracción, que tiene en cuenta la reducción de la sección transversal. Esta distinción es especialmente importante al comparar aceros dúctiles con diferentes longitudes calibradas o mediciones de reducción de área.

El punto final es la fractura, identificada por el manual del DOE después de la región de estricción. El alargamiento y la reducción de área informados se ven fuertemente afectados por la longitud calibrada, la geometría de la probeta, la ubicación de la fractura y la forma en que se vuelven a ensamblar las piezas rotas. El experimento de Syracuse University con acero al carbono 1018, por ejemplo, utilizó probetas planas de tracción conforme a ASTM para determinar el esfuerzo de fluencia, el esfuerzo último y el esfuerzo de rotura; esos valores describen esa configuración de ensayo definida, no una propiedad abstracta atribuible únicamente al grado de acero.

La velocidad de deformación y el método de medición también modifican la curva. NIST informó sobre ensayos de acero ASTM A1008 realizados a velocidades de deformación medias de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ y ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$, utilizando correlación digital de imágenes para medir el desplazamiento y la deformación. NIST también publicó curvas a altas velocidades de deformación para acero destinado a columnas perimetrales, con una resistencia a la fluencia especificada de 50 ksi. Las curvas obtenidas en esas condiciones no deben compararse directamente con un ensayo lento a temperatura ambiente basado en un extensómetro sin comprobar primero la norma y las definiciones.

Resistencia a la fluencia, tensión de prueba y significado de «fluencia»

«Fluencia» no designa una característica universal presente en toda curva tensión–deformación del acero. Describe la transición de una deformación predominantemente recuperable a una deformación que permanece después de la descarga, pero el valor comunicado depende de cómo se manifiesta esa transición y de qué criterio exige una norma de ensayo. ASTM E8/E8M-21 abarca los ensayos de tracción de metales a temperatura ambiente y la determinación de la resistencia a la fluencia, el alargamiento en el punto de fluencia, la resistencia a la tracción, el alargamiento y la reducción de área. ISO 6892-1:2019 especifica un método comparable de ensayo de tracción a temperatura ambiente, pero las definiciones y los requisitos de comunicación de resultados deben seguir consultándose en la norma aplicable, en lugar de inferirse a partir de un gráfico conocido.

Las magnitudes de ingeniería habituales ya imponen una convención. La tensión de ingeniería es $F/A_0$, donde $F$ es la carga y $A_0$ es el área inicial de la sección transversal de la probeta; la deformación de ingeniería es $(l-l_0)/l_0$, basada en la longitud inicial de referencia $l_0$. Michigan Technological University y Georgia Tech describen estas definiciones. Por tanto, una resistencia a la fluencia comunicada corresponde a una probeta, una geometría, una definición de la longitud de referencia, una velocidad de carga, un sistema de medición y una interpretación especificada, no a una curva abstracta desvinculada del ensayo.

Comportamiento en el punto de fluencia frente a una resistencia a la fluencia definida

Algunos aceros de bajo contenido de carbono muestran un fenómeno visible de punto de fluencia. La curva alcanza un punto de fluencia superior, desciende y luego continúa a través de una región inferior relativamente plana de deformación plástica. Durante esta extensión, las bandas de Lüders pueden desplazarse a lo largo de la longitud de referencia. En este tipo de respuesta, el material parece «fluir» mediante un evento reconocible, por lo que la resistencia a la fluencia superior o inferior, el alargamiento en el punto de fluencia y las magnitudes relacionadas pueden comunicarse de acuerdo con el método aplicable.

Otros aceros no muestran una caída brusca de la carga. Los aceros inoxidables, muchos aceros de mayor resistencia y los aceros ensayados en condiciones diferentes pueden pasar gradualmente de la deformación elástica a la plástica. No existe un único punto defendible que pueda seleccionarse simplemente buscando un cambio de pendiente. El límite de proporcionalidad, que marca el final de la proporcionalidad estricta entre tensión y deformación, tampoco es automáticamente la resistencia a la fluencia. El Fundamentals Handbook del U.S. Department of Energy sitúa el límite de proporcionalidad, la resistencia a la fluencia, la resistencia última y el punto de fractura en una curva típica de ingeniería para acero estructural, pero esas etiquetas representan propiedades distintas.

La distinción es importante porque una curva puede parecer suave y, aun así, producir un valor de fluencia definido formalmente. ASTM E8/E8M-21 permite comunicar resultados basados en el comportamiento en el punto de fluencia cuando dicho comportamiento está presente y utiliza procedimientos especificados cuando está ausente. ISO 6892-1:2019 también define las propiedades mecánicas que pueden obtenerse mediante el ensayo, pero su método y el parámetro seleccionado controlan el resultado. Un gráfico por sí solo no puede establecer qué definición se utilizó.

Tensión de prueba y construcciones mediante desplazamiento

La tensión de prueba proporciona un sustituto reproducible cuando no existe un punto de fluencia claro. El ensayo registra la curva de carga y, a continuación, identifica la tensión que produce una deformación permanente especificada después de la descarga. Una construcción habitual es el método del desplazamiento del 0,2 %: se traza una línea paralela a la pendiente elástica inicial desde una deformación de 0,002, y su intersección con la curva proporciona la tensión de prueba del 0,2 %, escrita a menudo como $R_{p0.2}$ en la notación de estilo ISO. El símbolo exacto, el desplazamiento, la determinación de la pendiente y el procedimiento de aceptación dependen de la norma y de la especificación del material.

Se trata de una construcción, no de un evento físico repentino que ocurra exactamente al 0,2 % de deformación. Una tensión de prueba del 0,2 % y un punto de fluencia inferior responden a preguntas diferentes. La primera pregunta qué tensión corresponde a un criterio definido de deformación residual; el segundo identifica una característica de la respuesta observada de carga del material. Denominar a ambos simplemente «resistencia a la fluencia» puede ocultar esa diferencia.

El informe del National Bureau of Standards sobre las tensiones de prueba en aceros inoxidables y metales no ferrosos muestra por qué los resultados de tensión de prueba requieren una interpretación cuidadosa. La deformación plástica previa puede modificar la curva de carga posterior, y una probeta que permanece en reposo antes de volver a cargarse puede presentar una tensión de prueba diferente de la de otra ensayada de forma continua. La tensión interna también afecta al inicio aparente de la deformación permanente: las tensiones residuales de tracción y compresión pueden hacer que una dirección comience a fluir antes que la otra. En consecuencia, la tensión de prueba comunicada es sensible al historial de la probeta, no solo a la composición de la aleación.

Las decisiones de medición añaden otra capa de complejidad. Las investigaciones de NIST sobre ASTM A1008 utilizaron velocidades medias de deformación de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ y ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, junto con correlación digital de imágenes para medir el desplazamiento y la deformación. Se trata de ensayos materialmente diferentes, aun cuando el grado nominal no cambie. Una lectura del desplazamiento del travesaño puede incluir la conformidad de la máquina y de las mordazas, mientras que un extensómetro montado en la longitud de referencia o un sistema de correlación digital de imágenes mide una magnitud diferente.

Endurecimiento por deformación, intervalos de reposo y tensión interna

Después del flujo plástico inicial, el acero suele endurecerse por deformación: una deformación plástica adicional requiere una tensión creciente porque las interacciones entre dislocaciones aumentan la resistencia a la deformación. Por tanto, la curva asciende después de una meseta de fluencia o después de cruzar la tensión de prueba. Ese ascenso no es otro punto de fluencia. Es la tensión de flujo cambiante de un material cuya microestructura y estado de tensión interna ya se han modificado.

Si se descarga una probeta endurecida por deformación, parte de su deformación se recupera, mientras que permanece una deformación plástica. La recarga puede seguir una trayectoria elástica desplazada y producir una tensión de prueba aparente más alta. Un intervalo de reposo puede permitir procesos de recuperación o cambios asociados con el envejecimiento por deformación, por lo que la respuesta posterior no tiene por qué coincidir con la recarga inmediata. El informe del National Bureau of Standards sobre la tensión de prueba considera estos efectos variables experimentales centrales, no perturbaciones menores.

Por ello, afirmar que «el acero A tiene una resistencia a la fluencia mayor que el acero B» solo es significativo cuando ambos valores comparten una norma de ensayo, una temperatura, una velocidad de deformación, una geometría de probeta, una definición de la longitud de referencia y un criterio de fluencia. El informe de NIST sobre acero estructural, por ejemplo, presenta curvas a altas velocidades de deformación para un acero destinado a columnas perimetrales, especificado con una resistencia a la fluencia de 50 ksi; esa designación no hace que el valor sea intercambiable con una tensión de prueba del 0,2 % obtenida mediante un ensayo lento. La fluencia es una definición comunicada aplicada a una respuesta medida. Sin ambas partes, el número está incompleto.

Curvas de ingeniería frente a curvas verdaderas de esfuerzo–deformación

Un gráfico de un ensayo de tracción no muestra una única propiedad material evidente por sí misma. Su forma depende en parte de cómo se convierten la fuerza, la extensión y las dimensiones de la probeta en esfuerzo y deformación. ASTM E8/E8M-21 abarca los ensayos de tracción a temperatura ambiente de materiales metálicos y la determinación del límite elástico, el alargamiento en el punto de fluencia, la resistencia a la tracción, el alargamiento y la reducción de área. ISO 6892-1:2019 especifica un método comparable de ensayo de tracción a temperatura ambiente para materiales metálicos y define las propiedades mecánicas que se obtienen mediante él. Ninguna de las dos normas elimina la necesidad de indicar qué convención de esfuerzo–deformación se utilizó.

El esfuerzo de ingeniería se calcula dividiendo la fuerza aplicada por el área transversal original de la probeta:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}$$

La deformación de ingeniería utiliza la longitud calibrada original:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}$$

Estas definiciones aparecen en materiales didácticos de Michigan Technological University y Georgia Tech, donde Georgia Tech expresa el esfuerzo de ingeniería como $F/A_0$ y la deformación de ingeniería como $(l-l_0)/l_0$. La probeta puede volverse considerablemente más delgada y más larga durante el ensayo, pero el cálculo de ingeniería continúa utilizando $A_0$ y $L_0$. Esta elección facilita la comparación de los resultados, siempre que también se indiquen la geometría de la probeta, la longitud calibrada, la norma y el procedimiento de ensayo.

Por qué el esfuerzo de ingeniería puede disminuir después de que comienza la estricción

Antes de que comience la estricción, la deformación es aproximadamente uniforme a lo largo de la longitud calibrada. Toda la sección reducida soporta la carga, y el endurecimiento por deformación plástica puede aumentar la fuerza necesaria para una extensión adicional. En una curva de ingeniería, esto produce un aumento del esfuerzo después de la fluencia hasta que la carga alcanza su valor máximo. Al dividir esa carga máxima por $A_0$, se obtiene la resistencia última a la tracción de ingeniería, a menudo denominada resistencia a la tracción o resistencia última.

La estricción modifica el patrón de deformación. Una región localizada comienza a contraerse más rápidamente que el resto de la longitud calibrada, creando un área transversal menor en la zona estrangulada. A partir de ese momento, la probeta deja de deformarse uniformemente. El endurecimiento por deformación sigue aumentando el esfuerzo de fluencia local, pero la reducción del área puede disminuir la carga total más rápidamente de lo que el endurecimiento aumenta el esfuerzo necesario para deformar el material. Puesto que la máquina de ensayo registra la carga, y el esfuerzo de ingeniería es simplemente la carga dividida por el $A_0$ invariable, el esfuerzo de ingeniería representado en la gráfica disminuye.

Esta disminución no significa que la deformación se haya detenido ni que el material haya perdido repentinamente toda resistencia al flujo plástico local. Significa que la carga global soportada por la probeta ha disminuido. El material local situado dentro de la zona estrangulada puede seguir experimentando un aumento del esfuerzo y de la deformación. El U.S. Department of Energy Fundamentals Handbook identifica el límite de proporcionalidad, el límite elástico, la resistencia última y el punto de fractura en una curva típica de esfuerzo–deformación de ingeniería para acero estructural; por tanto, la rama descendente entre la resistencia última y la fractura es una característica de la representación elegida, no un mapa directo del comportamiento uniforme del material en toda la probeta.

La distinción es importante al comparar calidades o ensayos. Un acero con una resistencia última a la tracción de ingeniería más alta no necesariamente soporta un esfuerzo local mayor en cada etapa de la deformación posterior a la estricción. El resultado también depende del área original, la forma de la probeta, la longitud calibrada, la velocidad de carga, la alineación y la ubicación en la que se mide la deformación.

Área instantánea y esfuerzo verdadero

El esfuerzo verdadero utiliza el área que soporta la carga en ese instante:

$${\sigma }_{\mathrm{true}}=\frac{F}{A_i}$$

donde $A_i$ es el área transversal instantánea. La deformación verdadera se define habitualmente integrando la extensión incremental a lo largo de la longitud actual:

$${\epsilon }_{\mathrm{true}}=\ln \left(\frac{L}{L_0}\right)$$

Para una deformación uniforme, las magnitudes de ingeniería y las verdaderas pueden relacionarse mediante:

$${\sigma }_{\mathrm{true}}={\sigma }_{\mathrm{eng}}(1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}})$$

y

$${\epsilon }_{\mathrm{true}}=\ln (1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}})$$

Estas conversiones solo son útiles mientras la deformación sea suficientemente uniforme y se cumplan las hipótesis necesarias. No constituyen una corrección general para todos los puntos posteriores a la estricción.[4][4] Civil Engineering Materials Laboratory: Laboratory 2. Massachusetts Institute of Technology. MIT OpenCourseWare laboratory material, 2004.

La referencia de 2004 del Civil Engineering Materials Laboratory del MIT distingue explícitamente entre la resistencia a la tracción obtenida de una curva de esfuerzo–deformación de ingeniería y la resistencia verdadera a la tracción, que tiene en cuenta la reducción de la sección transversal. La diferencia puede ser grande cerca de la fractura, porque el área local de la zona estrangulada puede ser mucho menor que $A_0$. Si una fuerza de 20 kN actúa sobre un área original de $100{\text{mm}}^2$, el esfuerzo de ingeniería es de 200 MPa. Si el área real de la zona estrangulada en ese instante es de $50{\text{mm}}^2$, el esfuerzo verdadero local nominal basado en esa área es de 400 MPa. Las dos cifras describen la misma fuerza, pero definiciones diferentes del área.

Medir $A_i$ no es sencillo. Un extensómetro puede medir el alargamiento promedio a lo largo de una longitud calibrada, mientras que la correlación digital de imágenes puede resolver los campos locales de desplazamiento y deformación. En su trabajo sobre acero ASTM A1008, NIST informó de ensayos realizados a velocidades de deformación medias de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ y ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, utilizando correlación digital de imágenes para medir el desplazamiento y la deformación. Por tanto, la curva aparente refleja tanto la respuesta del material como el método de medición y la velocidad de deformación seleccionados.

Deformación uniforme, estricción e interpretación posterior a la estricción

Una conversión convencional de datos de esfuerzo–deformación de ingeniería a datos verdaderos es más defendible durante la deformación uniforme y hasta el inicio de la estricción. La carga máxima de ingeniería marca el inicio habitual de la estricción difusa bajo carga de tracción, aunque el comportamiento local y la estructura del material pueden complicar esa interpretación. Antes de este punto, un área y una medición de la longitud calibrada pueden representar razonablemente una gran parte de la probeta activa.

Después de que comienza la estricción, el campo de deformación se vuelve fuertemente localizado. La sección transversal varía a lo largo de la zona estrangulada, la superficie desarrolla curvatura y el estado de esfuerzo deja de ser puramente uniaxial. El material próximo a la zona estrangulada puede experimentar esfuerzos transversales además del esfuerzo axial. En consecuencia, multiplicar el esfuerzo de ingeniería por $1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}}$ después de la carga máxima no permite recuperar una curva local fiable de esfuerzo verdadero.

La conversión posterior a la estricción requiere datos adecuados sobre la geometría y la deformación locales: por ejemplo, el diámetro mínimo o el área de la zona estrangulada en evolución, mediciones locales de deformación y, cuando sea necesario, una corrección por la curvatura de la zona estrangulada y el estado de esfuerzo triaxial resultante. Una medición del área de fractura puede respaldar los cálculos de reducción de área, pero no reconstruye todo el historial posterior a la estricción. Por tanto, el uso indiscriminado de ecuaciones para la deformación uniforme puede asignar valores físicamente engañosos a la rama descendente.

Los informes deben indicar si las curvas son de ingeniería o verdaderas, cómo se midieron el área y la deformación, y en qué punto la estricción invalida las hipótesis de uniformidad. Esta precisión es especialmente importante al comparar resultados ordinarios a temperatura ambiente con datos obtenidos a alta velocidad; por ejemplo, un informe de NIST sobre acero estructural presenta curvas a alta velocidad de deformación para acero destinado a columnas perimetrales, con un límite elástico especificado de 50 ksi. La etiqueta de la curva es solo el comienzo. Sus definiciones y condiciones de ensayo determinan qué significan los valores representados.

Cómo cambia la tasa de deformación la respuesta registrada del acero

La tasa de deformación es la velocidad a la que se deforma una probeta de tracción, normalmente expresada en segundos recíprocos (s⁻¹). En cualquier descripción de un ensayo, debe indicarse junto con el grado del acero, la geometría de la probeta, la temperatura y la convención de tensión–deformación. Una curva medida a ${10}^{-5}{\text{s}}^{-1}$ no es automáticamente intercambiable con otra medida a ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, aunque ambas probetas procedan de la misma colada de acero.

La razón es tanto física como procedimental. La deformación plástica requiere el movimiento de dislocaciones, y dicho movimiento interactúa con el tiempo disponible para superar obstáculos, desarrollar concentraciones locales de tensión y extender la deformación a lo largo de la longitud calibrada. Por tanto, la curva registrada puede cambiar en su región de fluencia, su pendiente posterior a la fluencia, su resistencia máxima a la tracción y su ductilidad aparente. La magnitud de cada cambio debe establecerse para el material y las condiciones de ensayo; no debe tratarse como un porcentaje universal aplicable a todos los aceros.

La serie de tasas de deformación del acero ASTM A1008 del NIST

NIST ensayó acero ASTM A1008 a velocidades de deformación promedio de 10^-5, 10^-3 y 10^-1 s^-1. Strong evidence

Un estudio del National Institute of Standards and Technology concreta la comparación utilizando acero ASTM A1008. Los ensayos se realizaron a tasas de deformación medias de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ y ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$. Estas tasas abarcan cuatro órdenes de magnitud, aunque las etiquetas de los ensayos contienen tres condiciones discretas, no una ley material continua. Los datos resultantes muestran por qué el pie de una curva que omite la tasa de deformación está incompleto.

La condición más lenta representa una deformación acumulada durante un tiempo comparativamente largo, mientras que ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$ impone la deformación con mucha mayor rapidez. El cambio no consiste simplemente en un desplazamiento horizontal en el gráfico. El inicio de la fluencia y la respuesta posterior al flujo plástico pueden desplazarse, y la forma de la curva puede cambiar a medida que la deformación plástica se localiza más. En consecuencia, un límite elástico registrado a una tasa puede diferir de un valor obtenido a otra tasa, incluso si se utiliza el mismo cálculo de la tensión ingenieril.

El NIST también utilizó correlación digital de imágenes (DIC) para medir el desplazamiento y la deformación. Este detalle es importante. Una señal de desplazamiento del travesaño incluye la compliancia de la máquina y puede incluir deformación fuera de la sección calibrada prevista; la DIC puede medir el desplazamiento local de la superficie y revelar la concentración de deformación. Por tanto, dos laboratorios pueden registrar curvas de deformación de aspecto diferente porque midieron magnitudes físicas distintas, no porque el acero se comportara de manera diferente.

Las definiciones ingenieriles habituales siguen siendo importantes. La tensión ingenieril es la carga dividida por el área inicial de la sección transversal de la probeta, $F/A_0$, y la deformación ingenieril es el cambio en la longitud calibrada dividido por la longitud calibrada inicial, $(l-l_0)/l_0$, como describen Georgia Tech y Michigan Technological University. Estas definiciones no eliminan la dependencia de la tasa. Solo establecen cómo se convierten la carga y el desplazamiento medidos en las coordenadas representadas en el gráfico.

Sensibilidad a la tasa en la fluencia y el comportamiento de flujo plástico

La fluencia es especialmente sensible a la forma en que se realiza e interpreta un ensayo. ASTM E8/E8M-21 abarca los ensayos de tracción a temperatura ambiente y la determinación del límite elástico, el alargamiento en el punto de fluencia, la resistencia a la tracción, el alargamiento y la reducción de área. El valor de fluencia puede obtenerse a partir de un punto de fluencia definido, una meseta de fluencia o un método de desplazamiento, dependiendo de la respuesta del material y del procedimiento de registro. Si la tasa de deformación modifica la transición de la deformación elástica a la plástica, la métrica de fluencia seleccionada puede cambiar incluso antes de considerar la curva de flujo posterior.

Después de la fluencia, la tasa de deformación puede afectar a la tensión necesaria para mantener el flujo plástico. En un ensayo más rápido, la probeta puede requerir una tensión mayor a una determinada deformación plástica que en un ensayo más lento. Esta afirmación describe el tipo de respuesta examinado en la serie del NIST sobre ASTM A1008, no una regla fija para todos los grados de acero, temperaturas o intervalos de tasas. El efecto también puede variar a lo largo de la curva: un cambio moderado cerca de la fluencia no predice el cambio en el flujo uniforme, la estricción o la deformación de fractura.

La ubicación de la medición añade otra fuente de sensibilidad aparente a la tasa. Si la deformación se promedia sobre una longitud calibrada grande, una estricción local puede quedar atenuada en la deformación registrada. Si la DIC sigue una región más pequeña, la localización aparece antes y con mayor intensidad. Además, la tensión ingenieril utiliza el área original, por lo que no muestra la pérdida instantánea de área durante la estricción. MIT distingue esta resistencia ingenieril a la tracción de la resistencia verdadera a la tracción, que tiene en cuenta la reducción de la sección transversal. Por tanto, la tasa, la definición de deformación y la convención de área deben interpretarse conjuntamente.

Ensayos cuasiestáticos frente a datos de alta tasa de deformación

La mayoría de los ensayos de tracción ordinarios a temperatura ambiente son cuasiestáticos. ASTM E8/E8M-21 e ISO 6892-1:2019 definen métodos a temperatura ambiente para materiales metálicos, pero un método normalizado no hace que todos los resultados sean independientes de la tasa. La velocidad de ensayo, el método de control de la tasa de deformación, la longitud calibrada, el extensómetro o sistema de DIC y la definición de la propiedad seleccionada siguen afectando a la respuesta registrada.

El ensayo estructural a alta tasa de deformación constituye una comparación diferente. Un informe del NIST sobre estructuras de acero presenta curvas de tensión–deformación a alta tasa de deformación para acero de columnas perimetrales con un límite elástico especificado de 50 ksi. Esas curvas corresponden a condiciones de carga muy alejadas de las de un ensayo de tracción de laboratorio rutinario. Su finalidad es describir la respuesta del acero bajo una deformación rápida relevante para el análisis de sucesos estructurales, no sustituir una curva de calificación a temperatura ambiente.

Una curva cuasiestática no debe superponerse a ese conjunto de datos de alta tasa y leerse como una simple clasificación de resistencia. Las probetas, las tasas de carga, la instrumentación y posiblemente los procedimientos de procesamiento de las curvas pueden ser diferentes. Incluso cuando ambos gráficos utilizan tensión ingenieril y deformación ingenieril, hacer coincidir esos ejes no equivale a hacer coincidir el experimento.

La regla práctica es estricta: compare las curvas solo cuando las tasas de deformación coincidan, o indique claramente las tasas y analice la diferencia como parte del resultado. Un valor de tracción sin su tasa es una medición parcial.

Medición de la deformación: desplazamiento del travesaño, extensometría y correlación digital de imágenes

Una máquina de ensayos de tracción no mide directamente la deformación, a menos que se instale un dispositivo de medición de deformación o se utilice un método óptico. Su medición principal es la fuerza, mientras que el travesaño registra cuánto se desplaza el elemento móvil de la máquina. Esa distancia puede convertirse en una deformación aparente, pero no representa automáticamente la extensión de la sección calibrada de acero.

Deformación en la longitud calibrada y desplazamiento de la máquina

La deformación ingenieril se define a partir de una longitud calibrada especificada:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}$$

donde $L_0$ es la longitud calibrada inicial y $L$ es la distancia actual entre las marcas de referencia. La tensión ingenieril utiliza el área inicial de la sección transversal:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}$$

Estas definiciones aparecen en materiales didácticos de Michigan Technological University y Georgia Tech, donde la tensión ingenieril se expresa como $F/A_0$ y la deformación ingenieril como $(L-L_0)/L_0$. La longitud calibrada especificada es importante. Una longitud calibrada mayor promedia la deformación en una cantidad más extensa de material y normalmente produce un alargamiento informado diferente del obtenido con una longitud menor, especialmente después de que comienza la estricción.

El desplazamiento del travesaño incluye más que la extensión de la probeta. Parte del movimiento procede de la deformación elástica del bastidor de carga, las mordazas, los elementos roscados de sujeción, la célula de carga y otros componentes de la máquina. Esta flexibilidad del sistema puede hacer que la deformación calculada sea demasiado grande si la lectura del travesaño se divide directamente por la longitud calibrada de la probeta. El asentamiento y el deslizamiento en las mordazas añaden otra fuente de extensión aparente. Incluso un movimiento pequeño en las mordazas puede afectar de forma apreciable a una probeta corta o a la parte inicial de baja deformación de una curva.

La alineación también modifica el resultado. La flexión causada por una carga excéntrica puede hacer que un lado de la probeta se extienda más que el otro, mientras que la fricción o una sujeción desigual pueden redistribuir la tensión cerca de los hombros. Por tanto, una máquina puede producir un registro uniforme de fuerza frente a desplazamiento aunque la sección calibrada no se esté deformando de manera uniforme. Los extensómetros reducen estos problemas al medir la separación entre dos puntos de la propia probeta. No obstante, su longitud calibrada, método de fijación, clase de exactitud y momento de retirada deben seguir estando controlados.

ASTM E8/E8M-21 contempla los ensayos de tracción a temperatura ambiente de materiales metálicos y aborda el límite elástico, el alargamiento en el punto de fluencia, la resistencia a la tracción, el alargamiento y la reducción de área. ISO 6892-1:2019 especifica un método de tracción a temperatura ambiente para materiales metálicos y define las propiedades que pueden obtenerse mediante él. Ninguna de las dos normas convierte el recorrido del travesaño en un valor universal de deformación: la propiedad informada sigue estando vinculada a la geometría de la probeta, la definición de la longitud calibrada, la configuración del ensayo y el procedimiento de medición.

La distinción se vuelve crítica después de alcanzar la resistencia última a la tracción. La tensión ingenieril continúa utilizando $A_0$, aunque la sección de la probeta se haya contraído. Las notas de 2004 del laboratorio de materiales de MIT distinguen esta resistencia ingenieril a la tracción de la resistencia verdadera a la tracción, que tiene en cuenta el cambio del área de la sección transversal. El desplazamiento del travesaño también se convierte en una descripción deficiente de la deformación local una vez que se forma una estricción, porque la extensión se concentra en una región pequeña en lugar de distribuirse uniformemente a lo largo de la longitud calibrada.

Correlación digital de imágenes en el estudio de NIST

En su investigación sobre el acero ASTM A1008, el National Institute of Standards and Technology utilizó la correlación digital de imágenes (DIC) para medir el desplazamiento y la deformación. La DIC rastrea el movimiento de un patrón superficial registrado en imágenes sucesivas. El software compara pequeñas regiones de las imágenes, denominadas a menudo subconjuntos, y calcula su desplazamiento entre fotogramas; las derivadas espaciales de dichos desplazamientos proporcionan campos de deformación.

Este método difiere de una lectura realizada con un único extensómetro. Un extensómetro proporciona el cambio de distancia entre puntos definidos, mientras que la DIC puede calcular el desplazamiento en numerosos puntos de toda la superficie visible de la probeta. El trabajo de NIST examinó velocidades medias de deformación de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ y ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$. Puesto que tanto la velocidad de deformación como la técnica de medición afectan a la respuesta registrada, las curvas resultantes no deben tratarse como una clasificación de materiales independiente de las condiciones del ensayo.

La DIC no sustituye la medición de fuerza de la máquina de ensayos de tracción. La fuerza sigue procediendo de la célula de carga, y el cálculo de la tensión sigue requiriendo una definición del área. En cambio, la DIC proporciona una medición espacialmente resuelta de la deformación que puede combinarse con la fuerza para identificar dónde se está extendiendo, plastificando o concentrando la deformación la probeta. Es un método utilizado en investigaciones concretas, incluido el estudio de NIST sobre ASTM A1008, no un requisito para que todos los ensayos de tracción ASTM utilicen imágenes ópticas.

Campos de deformación local cerca de la estricción y la fractura

Antes de la fluencia, la deformación puede ser casi uniforme a lo largo de una sección calibrada bien alineada. La deformación plástica puede permanecer ampliamente distribuida durante cierto tiempo, especialmente en una probeta con una geometría estable y una condición superficial adecuada. Más adelante, la deformación se vuelve no uniforme. Se desarrolla una estricción, el área local de la sección transversal disminuye y la deformación local aumenta más rápidamente que la deformación media en la longitud calibrada.

Un extensómetro convencional informa de un promedio a lo largo de su longitud calibrada. Ese promedio puede ocultar una banda estrecha en la que tiene lugar la mayor parte de la extensión plástica. La DIC muestra directamente el cambio: los mapas de deformación axial muestran el inicio de la localización, su desplazamiento o crecimiento y la marcada concentración alrededor de la estricción. Cerca de la fractura, el campo puede variar bruscamente en distancias mucho menores que la longitud calibrada original. Por tanto, el alargamiento final medido después de unir las dos mitades fracturadas no es intercambiable con la deformación local en la superficie de fractura.

Esta distinción también explica por qué una curva puede descender después de su resistencia última ingenieril, mientras que el material próximo a la estricción continúa endureciéndose. La carga disminuye porque la reducción del área supera el aumento de la tensión de fluencia local. Una interpretación basada en la tensión verdadera requiere tener en cuenta el área cambiante, mientras que una medición óptica de campo completo ayuda a mostrar dónde se producen esa reducción del área y la concentración de la deformación. La curva típica de acero estructural del U.S. Department of Energy señala el límite de proporcionalidad, el límite elástico, la resistencia última y el punto de fractura, pero estos hitos solo adquieren significado cuando se definen las mediciones subyacentes del desplazamiento y del área.

Geometría de la probeta, normas y fuentes de dispersión de los resultados

Una curva de tracción es, en parte, un registro de la probeta y de la configuración del ensayo, no únicamente del grado de acero. Dos laboratorios pueden ensayar acero al carbono 1018 nominalmente idéntico y comunicar valores diferentes de límite elástico, resistencia última o tensión de rotura si utilizan mediciones distintas de la sección transversal, longitudes de referencia, velocidades de deformación o métodos diferentes para detectar la deformación. El experimento de la Syracuse University sobre acero al carbono 1018 demuestra este punto mediante el uso de probetas planas de tracción ASTM para determinar el límite elástico, la resistencia última y la tensión de rotura. Esos valores solo son significativos cuando se indican junto con las dimensiones de la probeta y las convenciones de cálculo.

ASTM E8/E8M-21 aborda los ensayos de tracción a temperatura ambiente de materiales metálicos y la determinación del límite elástico, el alargamiento en el punto de fluencia, la resistencia a la tracción, el alargamiento y la reducción de área. ISO 6892-1:2019 especifica un método de ensayo de tracción a temperatura ambiente y define las propiedades mecánicas que pueden obtenerse mediante este. Las normas están relacionadas, pero un resultado identificado únicamente como «resistencia a la tracción según ASTM» o «alargamiento según ISO» está incompleto si no se indican también el tipo de probeta, sus dimensiones, la velocidad de ensayo y el método de comunicación de resultados.

Probetas planas ASTM y dimensiones de referencia

Una probeta plana ASTM tiene un cuerpo más ancho, una sección reducida de referencia y extremos ensanchados para la sujeción. La sección reducida está destinada a contener la fractura, mientras que los radios de transición limitan la concentración de tensiones entre la longitud de referencia y los hombros. Las configuraciones normalizadas y de tamaño reducido presentan diferentes anchuras, espesores, longitudes de referencia y dimensiones de los extremos. Una geometría plana ASTM habitual utiliza una longitud de referencia de 50 mm y una anchura de referencia de 12,5 mm, pero no debe suponerse que esas dimensiones corresponden a todas las probetas. La geometría plana ASTM indicada en el experimento de Syracuse debe conservarse junto con sus resultados, en lugar de sustituirse por una descripción genérica como «probeta tipo hueso de perro».

La longitud de referencia no es igual a la longitud total de la tira metálica. Es la longitud inicial marcada o definida mediante un extensómetro sobre la que se calcula la deformación unitaria ingenieril. La deformación unitaria ingenieril es

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0},$$

donde $L_0$ es la longitud inicial de referencia. Por lo general, una longitud de referencia mayor distribuye la deformación medida sobre una cantidad mayor de material y puede producir un porcentaje de alargamiento comunicado más bajo cuando la misma región estrangulada domina la deformación final. Por consiguiente, «18 % de alargamiento» carece de un significado claro si no se especifica la longitud de referencia utilizada.

El espesor y la anchura de la probeta también afectan al resultado. Un pequeño error en cualquiera de estas dimensiones modifica el área inicial calculada y, por tanto, todos los valores de tensión ingenieril. Las marcas de mecanizado, rebabas, entalladuras en los bordes, sobrecalentamiento, trabajo en frío residual y corrosión pueden iniciar prematuramente la fractura. Una probeta cortada transversalmente a la dirección de laminación puede no coincidir con otra cortada longitudinalmente, porque la laminación modifica la textura y la distribución de inclusiones y defectos.

Medición del área, alineación y sujeción

La tensión ingenieril utiliza el área original de la sección transversal:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}.$$

Esta es la convención descrita por Michigan Technological University y Georgia Tech, donde $A_0$ se mide antes de aplicar la carga. El área inicial debe determinarse en la sección de referencia, utilizando instrumentos calibrados y registrando los valores medidos de espesor y anchura, en lugar de las dimensiones nominales del plano. Si la probeta es cónica, está deformada o presenta una sección localmente inferior a la especificada, medirla en una sola posición puede ocultar la sección determinante. Varias mediciones a lo largo de la longitud de referencia permiten realizar una comprobación.

La alineación es igualmente importante. La línea central de la probeta debe coincidir con el eje de carga. Una desalineación angular o una sujeción desigual introduce flexión, de modo que un borde soporta una tensión mayor que el otro. La curva resultante puede mostrar una fluencia o una fractura prematuras aunque la carga media de la máquina parezca razonable. Las mordazas deben sujetar los extremos ensanchados sin deslizamiento, aplastamiento ni marcado de la sección reducida. Las mordazas dentadas pueden dañar una probeta plana delgada; una sujeción insuficiente puede producir un desplazamiento que el extensómetro interprete como deformación.

El registro del ensayo debe identificar el extensómetro o el método de desplazamiento, su longitud de referencia y, cuando corresponda, el punto en el que se retira. Los ensayos de NIST sobre acero ASTM A1008 utilizaron correlación digital de imágenes y examinaron velocidades de deformación unitarias medias de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ y ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$. El cambio de velocidad y el cambio del método de medición forman parte del experimento comunicado, no son detalles secundarios del laboratorio. Un acero estructural con un límite elástico especificado de 50 ksi ensayado a una velocidad de deformación elevada, como se documenta en un informe de NIST sobre acero estructural, no puede compararse directamente con una curva de laboratorio obtenida lentamente sin indicar esa diferencia.

Alargamiento y reducción de área después de la fractura

El alargamiento suele calcularse después de la fractura uniendo las piezas rotas y midiendo la distancia final entre las marcas de referencia:

$$A=\frac{L_f-L_0}{L_0}\times 100\%.$$

Este es el alargamiento total a lo largo de la longitud de referencia especificada. Incluye la extensión uniforme anterior a la estricción y la extensión localizada dentro de la estricción. La región cercana a la fractura puede extenderse de forma considerable, mientras que algunas partes de la longitud de referencia se extienden muy poco. Por tanto, una longitud de referencia corta capta una mayor proporción de la deformación de estricción y puede indicar un porcentaje más alto que una longitud de referencia mayor en la misma probeta fracturada.

La reducción de área mide la contracción de la sección transversal en la estricción:

$$\mathrm{RA}=\frac{A_0-A_f}{A_0}\times 100\%,$$

donde $A_f$ es el área mínima en la fractura. No es otro nombre para el alargamiento. Una probeta dúctil de acero 1018 puede mostrar una reducción de área considerable aunque su alargamiento medido sobre una determinada longitud de referencia difiera del indicado en otro informe.

La tensión de rotura del experimento de Syracuse también debe identificarse según su base de cálculo; normalmente, si se trata de un valor ingenieril, es la carga de fractura dividida por el área original. La tensión de fractura verdadera utiliza, en cambio, el área reducida en la estricción. MIT distingue entre la resistencia a la tracción obtenida de una curva ingenieril y la resistencia a la tracción verdadera, que tiene en cuenta la reducción de la sección transversal. Por consiguiente, todo registro de ensayo debe indicar la longitud de referencia, $A_0$, el área final cuando se utilice, la ubicación de la fractura, el método de medición de la deformación y si la tensión y la deformación son magnitudes ingenieriles o verdaderas.

Cómo informar y comparar los resultados de ensayos de tracción del acero

Una curva de tracción solo es comparable en la medida en que lo sea la información que la acompaña. Un gráfico que represente la tensión frente a la deformación puede ocultar diferencias en la forma de la probeta, la longitud de referencia, la velocidad de ensayo, la colocación del extensómetro y la convención de tensión empleada. Esas diferencias pueden modificar el límite elástico aparente, la altura del máximo de resistencia a la tracción y el alargamiento informado sin que haya cambiado el acero.

Información mínima que debe acompañar a una curva

Cada curva debe identificar exactamente la designación del acero tal como se suministra o especifica, por ejemplo, ASTM A1008, ASTM A36, SAE J403 1018 o EN 1.4301. También importa la forma del producto: una chapa, una placa, una barra, un alambre, un tubo o una probeta mecanizada extraída de un producto soldado no necesariamente mostrarán la misma respuesta. Registre la identificación de la colada o del lote cuando esté disponible, junto con el espesor o diámetro, el estado superficial y cualquier tratamiento térmico.

Indique la orientación de la probeta con respecto a la dirección de laminación, forja, extrusión o soldadura. «Longitudinal» y «transversal» no son etiquetas intercambiables. Incluya la geometría de la probeta: sección plana o circular, anchura, espesor o diámetro, dimensiones de la sección reducida, detalles de los hombros y radios, y la longitud de referencia inicial $L_0$. El valor del alargamiento está incompleto sin su longitud de referencia. Un alargamiento informado del 25 % en una longitud de referencia de 50 mm no puede compararse directamente con un 25 % medido en una longitud diferente.

Indique la norma de ensayo aplicable y su edición. ASTM E8/E8M-21 abarca los ensayos de tracción a temperatura ambiente de materiales metálicos y la determinación del límite elástico, el alargamiento en el punto de fluencia, la resistencia a la tracción, el alargamiento y la reducción de área. ISO 6892-1:2019 especifica un método de ensayo de tracción a temperatura ambiente para materiales metálicos y define las propiedades mecánicas que pueden obtenerse mediante dicho ensayo. Estas normas contemplan mediciones similares, pero sus requisitos para las probetas, métodos de control, reglas de cálculo y convenciones de información aún deben comprobarse, en lugar de tratarse como idénticos.

La temperatura debe figurar junto a la curva, no en una nota al pie separada. Informe la temperatura de ensayo e indique si se controló o simplemente se midió. Proporcione la velocidad de deformación, la velocidad de desplazamiento del travesaño, la velocidad de aplicación de la tensión o el modo de control, incluido el punto en el que la máquina pasó del control de fuerza al control de deformación. Los ensayos de NIST sobre acero ASTM A1008 examinaron velocidades medias de deformación de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ y ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$, utilizando además correlación digital de imágenes para medir el desplazamiento y la deformación. La velocidad y el método de medición fueron variables experimentales.

Describa cómo se obtuvo la deformación: mediante extensómetro, desplazamiento del travesaño, correlación digital de imágenes o un valor calculado. El desplazamiento del travesaño incluye la deformación de la máquina y de las mordazas; no equivale automáticamente a la deformación en la longitud de referencia. Indique la longitud de referencia del extensómetro, su resolución, el punto de retirada y si se capturó la estricción local.

Identifique los ejes como magnitudes ingenieriles o verdaderas. La tensión ingenieril es $F/A_0$, donde $F$ es la carga y $A_0$ es el área inicial; la deformación ingenieril es $(L-L_0)/L_0$, según describen Michigan Technological University y Georgia Tech. La tensión verdadera utiliza el área instantánea, y la deformación verdadera acumula los cambios incrementales de longitud. MIT distingue la resistencia a la tracción obtenida de una curva ingenieril de la resistencia a la tracción verdadera, que tiene en cuenta la reducción de la sección transversal.

El informe debe definir la convención empleada para el límite elástico o la tensión de prueba: límite elástico superior o inferior, tensión de prueba con un desplazamiento del 0,2 %, otro desplazamiento, límite de proporcionalidad o un valor obtenido mediante un algoritmo especificado. Proporcione la resistencia a la tracción, el alargamiento uniforme si se midió, el alargamiento total y su longitud de referencia, la reducción de área y las observaciones de la fractura. Registre la ubicación de la estricción, los labios de cizallamiento, el aspecto de copa y cono, la división, la delaminación y si la fractura se produjo dentro de la sección de referencia.

Comparar calidades sin mezclar definiciones

No clasifique las calidades colocando en un mismo gráfico curvas obtenidas mediante procedimientos diferentes y considerando que la línea más alta corresponde al acero más resistente. Una curva de una barra redonda y otra de una chapa pueden reflejar orientaciones y condiciones de restricción diferentes. Una longitud de referencia corta puede producir un alargamiento total distinto del obtenido con una longitud larga. Una velocidad de deformación elevada puede aumentar la tensión de fluencia medida; los resultados de NIST para ASTM A1008 a ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ y ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$ demuestran por qué la velocidad debe acompañar al resultado. Las curvas de alta velocidad de NIST para acero destinado a columnas perimetrales, con un límite elástico especificado de 50 ksi, responden a una cuestión de ingeniería diferente de la de un ensayo cuasiestático a temperatura ambiente.

Las convenciones de área pueden invertir las conclusiones aparentes después de la estricción. La tensión ingenieril continúa dividiendo la carga por $A_0$, por lo que normalmente disminuye después de la carga máxima. La tensión verdadera utiliza la sección que se reduce y puede seguir aumentando durante parte de la estricción. Denominar «resistencia a la tracción verdadera» al máximo de la curva ingenieril confunde dos magnitudes diferentes.

Las normas también definen cómo se miden el límite elástico, la tensión de prueba, el alargamiento y la reducción de área. El U.S. Department of Energy identifica el límite de proporcionalidad, el límite elástico, la resistencia última y el punto de fractura en una curva ingenieril típica, pero esos puntos denominados no especifican un único procedimiento universal de cálculo. Una comparación entre calidades solo es defendible cuando la forma de la probeta, la dirección, la temperatura, la velocidad, las definiciones y la norma están alineadas, o cuando las diferencias se corrigen y se explican expresamente.

Un flujo de trabajo de interpretación sistemático

Comience con el archivo sin procesar de fuerza-desplazamiento, no con la imagen publicada. Compruebe la frecuencia de muestreo, las cargas de puesta a cero, el asentamiento de las mordazas, la retirada del extensómetro, la conformidad de la máquina y cualquier dato eliminado o suavizado. Confirme que las unidades de fuerza y desplazamiento no se hayan convertido dos veces.

A continuación, verifique los datos dimensionales. Vuelva a medir o inspeccione la anchura, el espesor o diámetro, el área inicial, la longitud de referencia y el área mínima final registrados. Pequeños errores de área afectan a todos los valores de tensión ingenieril; los errores en la longitud de referencia afectan a la deformación y al alargamiento.

Después, reproduzca la curva a partir de los datos sin procesar utilizando las definiciones ingenieriles o verdaderas indicadas. Marque el límite de proporcionalidad, el límite elástico o la tensión de prueba, la carga máxima, el alargamiento uniforme, el punto de fractura y la reducción de área mediante el método declarado. Compare esos puntos con el informe, no simplemente con la línea representada en el gráfico.

Por último, examine la incertidumbre y la ubicación de la rotura. Incluya la dispersión entre ensayos repetidos, la incertidumbre dimensional, la exactitud del extensómetro, la variación de temperatura y la variación de velocidad. No atribuya las diferencias a la metalurgia hasta haber comprobado los artefactos del ensayo, la orientación de la probeta y las observaciones sobre la estricción o la fractura. Solo entonces deben atribuirse las diferencias a la composición, el procesamiento, la microestructura o el endurecimiento por deformación.

Referencias

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