Resumen:

El siguiente artículo aborda un aspecto esencial dentro de la enseñanza técnico profesional en las carreras que conforman la familia de especialidades de mecánica. El ensayo de laboratorio que se efectúa en probetas de acero brinda una serie de propiedades sobre este material y otras aleaciones que inciden en el empleo futuro de dichos materiales. En el mismo se exponen datos del mismo y el gráfico fundamental que describe dicho ensayo. El objetivo de este trabajo se enmarca en destacar la importancia del ensayo mecánico a la tracción para estas carreras de la Enseñanza Técnico Profesional y brindar algunas características del mismo.

Introducción:

La familia de especialidades Mecánica contiene carreras tales como:
1. Mantenimiento y reparación de los medios de transporte.
2. Explotación del transporte.
3. Explotación, mantenimiento y reparación de la técnica agrícola.
4. Construcción de estructuras metálicas.
5. Mecánico industrial.
6. Mecánico en refrigeración
Sin dudas que cuando se observa el plan de estudio de cada una de estas carreras, hay una similitud en la formación de sus estudiantes hasta el segundo año de la carrera y posteriormente, a partir del tercer año es que se comienza con la fase de especialización en cada una de ellas, aunque siempre hay elementos coincidentes.
El conjunto de asignaturas de formación general es el mismo, ya en el primer año de la carrera se comienza con asignaturas de orden técnico que ya en el segundo año aunque continúe las de formación general, ya comienzan otras que aumentan el vínculo con la especialidad directamente y que intervienen en todas las carreras mencionadas, es el caso por citar un ejemplo con las asignaturas Mecánica Básica 1 y Mecánica Básica 2, consideradas talones de Aquiles por la complejidad y los aspectos interdisciplinarios que las mismas encierran.
Puede ocasionar dudas el por qué en ambas asignaturas se ejecuta este ensayo y no se realiza de una vez. Simplemente la respuesta está en que según el programa de la asignatura Mecánica Básica 1, en ella es donde debe efectuarse oficialmente, según el programa, pero como muchos aspectos de esta asignatura son válidos para la Mecánica Básica 2 y en esta a su vez se profundiza mucho más en las propiedades mecánicas de los elementos constructivos y aparecen valores con los cuales no se trabajó anteriormente, el profesor que goza de cierta experiencia e imparte la Mecánica Básica 2 sabe que es útil repetir el ensayo de una forma donde se haga más hincapié en la determinación de las propiedades mecánicas de dichos elementos constructivos y por ende los resultados de estos que serán aplicados en la solución de problemas estarán más frescos y definidos en este momento.
La importancia del Ensayo a la Tracción en metales y aleaciones radica en que los cálculos que se realicen en ciertas estructuras, elementos de máquinas, etc. serán mucho más exactos con su aporte.
Es bueno recordar que el objetivo fundamental de la asignatura Mecánica Básica 1 es Seleccionar materiales basado en sus propiedades y que esto se aplica directamente en la Mecánica Básica 2 donde su objetivo fundamental es calcular elementos a base de estos materiales como estructuras, elementos, máquinas, etc.
Por tanto el objetivo fundamental de este trabajo se enmarca en Destacar la importancia del ensayo mecánico a la tracción para estas carreras de la Enseñanza Técnico Profesional y brindar algunas características del mismo.

Desarrollo.

Son sobrados los ejemplos donde han existido fallas en el proyecto y construcción en estructuras que han tenido que variar su diseño después de hechas para evitar su destrucción. Así encontramos como se refuerzan construcciones de las más diversas que tienden a desplomarse y que se observa como los técnicos las han alterado con la idea de salvarlas, que funcionen y esto es causa del distanciamiento de las líneas constructivas originales en el proyecto. Ejemplos sobran:
1. Puentes que en su construcción se ha utilizado vigas de hormigón y antes de ponerlos en servicio ha habido que reforzarlos con vigas de acero para evitar el desplome.
2. Refuerzos colocados en distintas grúas viajeras de diversos talleres.
3. Refuerzos colocados en distintos pórticos en talleres pequeños, para extraer motores de tractores, automóviles, camiones, etc.
Todo lo anterior hace pensar que se ha obrado por desconocimiento de leyes físicas, de las propiedades mecánicas de los metales y aleaciones que se han empleado en la construcción de los aditamentos referidos anteriormente y tal vez también por el cálculo no acertado que lleva cada uno de estos sistemas, abordados en asignaturas como la Resistencia de Materiales.

¿En que consiste el ensayo a la tracción en los metales y aleaciones?
Según distintos textos de estudiosos en esta materia tales como (Stiopin, 1985), (Kuzmin, 1986) y otros, dentro de los ensayos más difundidos corresponden a la tracción y compresión estáticos, ya que son más fáciles de realizar y permiten juzgar con suficiente exactitud el comportamiento de las propiedades mecánicas de materiales de construcción cuando se someten a deformaciones al emplearse en la industria.
Selección del material a probar en el laboratorio:

Del material que se tenga dudas en sus propiedades mecánicas para ser empleado en una pieza, se conforma una probeta de ensayo que según las normas, se emplean mayormente las de sección circular con un diámetro aproximado a 20 mm y una longitud que se determina por la relación lo = 10do en caso de probetas largas y de lo = 5do en el caso de las cortas.
Los ensayos a la tracción se realizan para obtener las características mecánicas del material en cuestión. Puede ocurrir que exista un grupo de materiales en una empresa y no se conozcan las propiedades mecánicas de los mismos. ¿Cómo determinar la cantidad de barras, vigas, etc. que debe llevar una estructura si no se conocen el valor de dichas propiedades?

Con los datos que brinda y posterior empleo de elementos de la resistencia de los materiales se resuelve la incógnita anterior. Durante el ensayo se traza automáticamente el diagrama de la relación que existe entre la fuerza P (Nw) que se aplica, que somete a la tracción la probeta, y el alargamiento Δl (mm) de esta, o deformación. Normalmente los diagramas también se pueden conformar en MPa disponiendo del diámetro de la probeta, ya conocido P.
Al diagrama que se logra se le llama Diagrama Convencional de Tracción.
A continuación se hará una representación de dicho diagrama en un ensayo de una probeta de acero en estado de suministro como existe en una empresa para ser empleado tanto en una estructura metálica como de hormigón. A partir del mismo se señalarán las zonas del mismo y la forma de determinar las propiedades del material ensayado. En otro trabajo posterior se explicará la forma de proceder para la ejecución del mismo.
A continuación se presenta el gráfico de un ensayo a la tracción en una probeta de acero con bajo contenido de carbono.

Partes significativas del gráfico:
1. Tramo 0 -1: Como se puede observar en este tramo del diagrama, las deformaciones crecen proporcionalmente a las tensiones, cuando estas son inferiores a cierta tensión, σp, llamada límite de proporcionalidad.
En esta parte puede decirse que existe un comportamiento que se modela perfectamente mediante una función lineal entre los valores de tensión ya mencionados y los de deformaciones que se producen. En dependencia del por ciento de carbono, de la rigidez del material ensayado, esta parte del gráfico tiene mayor o menor pendiente. Si durante el ensayo se decide suspender la fuerza de tracción que impera sobre la probeta entonces el material sufre una recuperación y vuelve a su estado inicial, quiere decir esto que regresa a su estado inicial sin sufrir deformación permanente y se pone de manifiesto la elasticidad del material, cumpliéndose además la Ley de Hook.
El comportamiento de los materiales dentro de este tramo es muy importante porque los mismos al trabajarse y calcularse no deben sobrepasar este límite para que no sufran deformaciones permanentes. El proyectista que no observe este aspecto, de lleno estará cometiendo un error grave en su trabajo de diseño. También el valor de tensión que se tome antes del valor del límite de proporcionalidad, pero muy próximos a este se denomina límite de elasticidad. Hasta este valor de las propiedades no existe dificultad alguna de falla, aunque en la literatura se empleen valores de los que se explican en lo adelante por razones de poder determinarse estos con mayor precisión y se afectan por un coeficiente de seguridad que disminuye su valor numérico y lo asemeja a los valores de las zonas descritas anteriormente.
2. Tramo 1 - 2: Aquí se observa en el gráfico que las deformaciones en la probeta llegan a un momento que bajo la acción de una tensión que puede mantenerse en valor, comienzan a crecer desmesuradamente sin llegar a romperse esta. Este es el llamado límite de fluencia, determinado por la tensión del mismo nombre. Esto es similar a un alargamiento progresivo sin aumentar la tensión de tracción y se pone de manifiesto la plasticidad del material. El material fluye bajo una misma tensión. Aquí se pone de manifiesto la plasticidad del material. Hay materiales más plásticos en dependencia de sus componentes, tratamientos recibidos, condiciones de trabajo, etc. Se reitera que es importante que el técnico diseñe sus proyectos sin dejar que los materiales lleguen a este estado de deformación permanente bajo la acción de cargas que actúen.
3. Tramo 2 - 3: En este tramo se observa que el material ha sufrido como especie de una recuperación y si antes fluía bajo la acción de una tensión constante, ahora de nuevo comienza a hacer resistencia y aunque se aumente la tensión sobre la probeta, para poder lograr un desplazamiento es necesario continuar aumentando la tensión de tracción mediante el aumento de la carga y si se compara con los valores iniciales de los demás tramos vistos anteriormente, esta es mucho mayor y va en aumento cada vez más hasta un punto en que de pronto comienza a declinar la resistencia del material. Este punto o valor máximo se conoce como tensión máxima.
4. Tramo 3 - 4: A partir de este punto automáticamente disminuye la fuerza que se aplica y el alargamiento en la probeta es desmesurado e incontrolable, hasta que llega un punto en breve que ocurre la rotura de la misma con un ligero estrépito, es la llamada tensión de rotura.

No todo ha terminado hasta este momento, todavía hay observaciones y mediciones que conllevan a determinar otras propiedades del material.
La probeta rota en el lugar de la fractura hace como un cuello y este se puede medir y ver su diferencia con el diámetro inicial de la misma antes de ensayarla. Aquí se puede determinar lo que muchos llaman reducción unitaria residual de la sección en el momento de la rotura o estricción, dado por la expresión Ψ = (F0 _ F1)/ 100%. Aquí Fo y F1 son las áreas de la probeta antes y después de ensayadas. Este es un indicador de la plasticidad del material ensayado y es más preciso que los valores de alargamiento relativo que veremos a continuación.
El alargamiento relativo se determina por la expresión δ = [(l1 _ lo)/ lo] / 100%. Aquí l1 y l2 son las longitudes de las probetas antes y después de ensayadas.
Con los valores que se obtienen en un ensayo como el descrito anteriormente, es posible acercarse bastante a la identificación de un material desconocido, sobretodo, se determinan las propiedades mecánicas básicas para ser empleadas en un cálculo determinado y así asegurar la fiabilidad de dicha pieza.
Citemos un ejemplo sencillo. El acero al carbono de construcción CT_3 tiene los siguientes valores:
1. Límite de proporcionalidad: σp = 200 MPa.
2. Límite de elasticidad: σe = 2100 MPa.
3. Límite de fluencia: σf = 2400 MPa.
4. Límite de resistencia máxima: σf = 400 MPa a 500 Mpa.
5. Alargamiento relativo: δ = 24 %.
6. Reducción unitaria residual o estricción: Ψ= 50 % a 60 %.

Conclusiones:

Como se ha descrito, el ensayo a la tracción reviste una singular importancia para la familia de especialidades mecánica donde para que el egresado sea capaz de seleccionar los materiales adecuados en un proyecto y pueda a partir de las propiedades de los mismos calcular, determinar dimensiones, etc es esencial dominar las características del mismo y saber manejar los datos que de él se obtienen.
No es posible tener resultados satisfactorios en la carrera si no se dominan las propiedades de un material de construcción que permita seleccionarlo adecuadamente y es sumamente importante para el estudiante que pretende continuar hacia una carrera superior ya sea una ingeniería o una licenciatura. Por suerte la bibliografía en este aspecto es abundante aunque toda no es lo didácticamente satisfactoria y además en todos los centros no existe la posibilidad de ejecutar el ensayo pues se necesita una prensa acorde al mismo y los instrumentos de medición correspondientes. Demás está decir que la preparación del técnico de laboratorio debe ser óptima en estos contenidos. Si el estudiante es interesado, buen observador, etc. seguramente se llevará los elementos necesarios que le serán de gran utilidad para satisfacer las exigencias de un bachiller técnico con buena calificación y un profesional acorde a las necesidades de la industria mecánica.

Bibliografía:

1. Guliáev, A.P. Metalografía / A.P. Guliáev .—en dos tomos.-- Moscú: Ed. MIR, 1990

2. Kuzmín B. A., Samojotski A. I. Metalurgia, metalografía y materiales de construcción. Editorial MIR, Moscú 1986.
3. Lajtin, Yu.M. Metalografía y tratamiento térmico de los metales .-- Moscú: Ed. Mir, 1989.
4. Malishev, A. Tecnología de los metales / A. Malishev, G. Nikolaiev y Yu. Shuvalov. — Ciudad de la Habana: Editorial Pueblo y Educación, 1989.

5. Stiopin P. A. Resistencia de los materiales. Editorial MIR, Moscú 1985

Instituto Superior Pedagógico Capitán Silverio Blanco Núñez.
Sancti Spíritus.
Facultad de Ciencias Técnicas e Informática.
Departamento de ETP.
Autores:
Ing. Juan Alberto Sánchez Reina.
Lic. Alberto Gómez Rodríguez

Profesores asistente.
Fecha: Octubre 2008.