Ensayo de flexión
Laboratorio > ► Ensayos mecánicos
Módulo de flexión
Ensayo de flexión
La resistencia a flexión es la capacidad de un material de soportar fuerzas aplicadas perpendicularmente a su eje longitudinal. El objetivo del ensayo de flexión es determinar las propiedades mecánicas de los materiales relacionadas con los esfuerzos y flechas (deformaciones) en los puntos máximo y de rotura, y módulo elástico en flexión teniendo en cuenta la separación entre apoyos calculada a partir del espesor de la probeta. El ensayo de flexión se realiza en la máquina universal de ensayos, también empleada en otras pruebas como las de tracción, compresión y flexión. En este caso, es necesario cambiar los apoyos y el útil de carga. El ensayo consiste en someter una probeta, apoyada en los extremos, a una fuerza en su eje perpendicular. Ensayo de flexión mide las propiedades de flexión de un material mientras está bajo una deformación o deformación de flexión. Esta prueba se realiza en un sistema de prueba universal que utiliza un accesorio de flexión de tres puntos a una velocidad proporcional a la profundidad de la muestra. La prueba ASTM D790 se usa para determinar las siguientes propiedades mecánicas:
- Módulo tangente : también conocido como módulo de flexión, esta es la pendiente de la porción lineal inicial de la curva de deflexión de carga y es una medida de la rigidez del material
- Módulo secante : la pendiente entre el origen y un punto predefinido en la curva de desviación de carga
- Módulo de cuerda: la pendiente entre dos puntos predefinidos en la curva de desviación de carga
- Resistencia a la flexión: la tensión de flexión máxima obtenida durante una prueba de flexión
- Estrés de flexión en la rotura: el estrés de flexión en el que se rompe una muestra durante una prueba de flexión. Para algunos materiales, la muestra se rompe antes de un punto de fluencia , en cuyo caso la resistencia a la flexión es igual al esfuerzo de flexión en la rotura.
Flexión de los materiales
La flexión es el encorvamiento transitorio que experimenta un sólido elástico por la acción de una fuerza que lo deforma. Se dice que una pieza está sometida a “flexión pura” cuando en una sección de esa pieza solo existe un momento flexor, en cambio, cuando en una sección de dicha pieza existe momento flector y esfuerzo cortante se dije que está sometida a “flexión simple”. En ingeniería se denomina flexión al tipo de deformación que presenta un elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal. El término "alargado" se aplica cuando una dimensión es dominante frente a las otras. Un caso típico son las vigas, las que están diseñadas para trabajar, principalmente, por flexión. Igualmente, el concepto de flexión se extiende a elementos estructurales superficiales como placas o láminas. El rasgo más destacado es que un objeto sometido a flexión presenta una superficie de puntos llamada fibra neutra tal que la distancia a lo largo de cualquier curva contenida en ella no varía con respecto al valor antes de la deformación. El esfuerzo que provoca la flexión se denomina momento flector. En muchos materiales frágiles no se pueden hacer con facilidad el ensayo de tensión convencional, a causa de la presencia de imperfecciones en la superficie. Con frecuencia, sólo con poner un material frágil en las mordazas de la máquina de ensayos de tensión, se produce la fractura. Esos materiales se pueden probar con el ensayo de flexión. Si se aplica la carga en tres puntos y se provoca flexión, se produce un esfuerzo de tensión en el material en un punto opuesto al punto de aplicación de la fuerza centra. La fractura comienza en ese punto. La resistencia a la flexión, o módulo de ruptura, describe la resistencia del material.
Los métodos comunes de prueba de flexión incluyen ASTM D790 e ISO 178
ASTM D790 es un método de prueba para determinar las propiedades de flexión de plásticos reforzados y no reforzados, materiales compuestos de alto módulo y materiales de aislamiento eléctrico. Esta guía está diseñada para presentarle los elementos básicos de una prueba de flexión ASTM D790 y proporcionará una descripción general del equipo de prueba, el software y las muestras necesarias. Sin embargo, cualquiera que planee realizar pruebas ASTM D790 no debe considerar esta guía como un sustituto adecuado para leer el estándar completo. ASTM D790 es una de varias pruebas diseñadas para medir las propiedades de flexión de los plásticos. No está diseñado para medir las propiedades de tracción, y cualquier persona que necesite cuantificar las propiedades de tracción de los materiales plásticos debe consultar ASTM D638. Este estándar no puede determinar la resistencia a la flexión para materiales que no se rompen o ceden al 5% o antes. Dichos materiales pueden ser más adecuados para pruebas de flexion de 4 puntos de acuerdo con ASTM D6272.
ASTM D790 vs. ISO 178
ASTM D790 es muy similar a ISO 178 , aunque difiere en varios puntos clave:
- ISO 178 requiere el uso de un deflectómetro o una corrección de cumplimiento para determinar el módulo. En ASTM D790 esto es solo una recomendación, y el módulo se puede calcular solo por desplazamiento de la cruceta.
- Los tamaños de muestra preferidos son diferentes, y dado que la velocidad de la prueba depende de la profundidad de la muestra, las velocidades de prueba entre los estándares pueden variar. La profundidad preferida de las muestras ASTM D790 es de 3,2 mm. La profundidad preferida para las muestras ISO 178 es de 4 mm.
- ASTM D790 permite solo una velocidad de prueba, mientras que ISO 178 permite que se use una segunda velocidad de prueba (más rápida) después de medir el módulo.
La norma ISO 178 investiga el comportamiento a la flexión de plásticos para determinar la resistencia a la flexión, el módulo de flexión y otros aspectos de la relación tensión/deformación a la flexión.
La norma ASTM D790 describe el procedimiento adecuado en detalle. Útiles de flexión de tres puntos y cuatro puntos se utilizan para evaluar los materiales rígidos y semirrígidos. La posición de la cruceta no es una medida aceptable para la medición de la desviación cuando que realiza un ensayo de flexión sobre cuatro.
El comportamiento tensión-deformación de los polímeros en fl exión es de interés tanto para un diseñador como para un fabricante de polímeros. La resistencia a la flexión es la capacidad del material para resistir las fuerzas de flexión aplicadas perpendicularmente a su eje longitudinal. Las tensiones inducidas por la carga fl exural son una combinación de tensiones de compresión y tracción. Este efecto se ilustra en la Figura 2-16. Las propiedades de flexión se informan y se calculan en términos de tensión y deformación máximas que se producen en la superficie exterior de la barra de prueba. Muchos polímeros no se rompen bajo la fl exión incluso después de una gran deflexión que hace que la determinación de la resistencia a la fl exión última no sea práctica para muchos polímeros. En tales casos, la práctica común es informar el límite elástico fl exural cuando la deformación máxima en la fibra exterior de la muestra ha alcanzado el 5 por ciento. Para materiales poliméricos que se rompen fácilmente bajo carga fl exural, la muestra se desvía hasta que ocurre una ruptura en las fibras externas. Hay varias ventajas de las pruebas de resistencia a la flexión sobre las pruebas de tracción (14). Si se utiliza un material en forma de viga y si la falla de servicio ocurre en flexión, entonces una prueba de flexión es más relevante para propósitos de diseño o especificación que una prueba de tracción, que puede dar un valor de resistencia muy diferente al calculado. fuerza de la fibra exterior en la viga doblada. La muestra fl exural es comparativamente fácil de preparar sin tensión residual. La alineación de la muestra también es más difícil en las pruebas de tracción. Además, la sujeción firme de las muestras de prueba crea puntos de concentración de tensión. Otra ventaja de la prueba de fl exión es que a pequeñas deformaciones, las deformaciones reales son lo suficientemente grandes para ser medidas con precisión. Hay dos métodos básicos que cubren la determinación de las propiedades fl exurales de los plásticos. El método 1 es un sistema de carga de tres puntos que utiliza una carga central en una viga soportada simple. Una barra de sección rectangular descansa sobre dos soportes y se carga mediante un morro de carga a medio camino entre los soportes. Las tensiones máximas de las fibras axiales ocurren en una línea debajo de la punta de carga. Este método es especialmente útil para determinar las propiedades fl exurales con fines de control de calidad y especificación. El método 2 es un sistema de carga de cuatro puntos que utiliza dos puntos de carga igualmente espaciados de sus puntos de soporte adyacentes, con una distancia entre los puntos de carga de un tercio del tramo de soporte. En este método, la barra de prueba descansa sobre dos soportes y se carga en dos puntos (por medio de dos narices de carga), cada uno a la misma distancia del punto de soporte adyacente. El método 2 es muy útil para probar material que no falla en el punto de máxima tensión bajo un sistema de carga de tres puntos. La tensión máxima de las fibras axiales se produce sobre el área entre las puntas de carga.
Procedimientos de prueba ASTM D790
ASTM D790 describe dos procedimientos de prueba diferentes destinados a diferentes tipos de material. El procedimiento A, que es el método preferido, emplea una velocidad de deformación de 0,01 mm / mm / min. El procedimiento B emplea una velocidad de deformación de 0,10 mm / mm / min y está destinado a materiales que pueden no romperse al 5% de deformación si se prueban a la velocidad más baja. ASTM D790 permite tomar medidas de deformación a partir del desplazamiento de la cruceta o de las lecturas de un extensómetro , descrito como pruebas de Tipo 1 y Tipo 2, respectivamente.
La velocidad de prueba requerida para ASTM D790 se expresa en función del alcance de soporte de la muestra, la profundidad de la muestra y la velocidad de deformación. El generador de expresiones universal permite a los usuarios ingresar la velocidad de prueba como una función en lugar de como un número estático. Después de que el operador de prueba ingrese las mediciones de la muestra, el software modificará automáticamente la velocidad de prueba de acuerdo con la ecuación.
Módulo de elasticidad (módulo de flexión)
El módulo de flexión es una medida de la rigidez durante la primera o parte inicial del proceso de flexión. Este valor del módulo de flexión es, en muchos casos, igual al módulo de tracción El módulo de flexión está representado por la pendiente de la porción de línea recta inicial de la curva tensión - deformación y se calcula dividiendo el cambio en la tensión por el correspondiente cambio de tensión. El procedimiento para calcular el módulo de flexión es similar al descrito anteriormente para los cálculos del módulo de tracción.
Factores que afectan los resultados de la prueba
- Preparación de la muestra La orientación molecular de la muestra tiene un efecto significativo en los resultados de la prueba. Por ejemplo, la muestra con un alto grado de orientación molecular perpendicular a la carga aplicada mostrará valores fl exurales más altos que la muestra con orientación paralela a la carga aplicada. La muestra moldeada por inyección generalmente muestra un valor de fl exión más alto que una muestra moldeada por compresión.
- Temperatura Los valores de la resistencia fl exural y del módulo son inversamente proporcionales a la temperatura. A temperaturas de prueba más altas, los valores de resistencia y módulo de la fl exión son signifi cativamente más bajos. La figura 2-20 muestra el efecto de la temperatura sobre el módulo flexural.
- Condiciones de prueba La tasa de deformación, que depende de la velocidad de prueba, el grosor de la muestra y la distancia entre los soportes (tramo), puede afectar los resultados. En un tramo dado, la resistencia a la flexión aumenta a medida que aumenta el espesor de la muestra. El módulo de un material generalmente aumenta con el aumento de la tasa de deformación.