Ensayo de tracción de hierros y aceros: claves para aplicaciones estructurales

Las propiedades mecánicas de hierros y aceros se evalúan a menudo mediante ensayo de tracción. La técnica está bien estandarizada y puede realizarse económicamente con equipamiento mínimo. Dado que estos materiales se usan en aplicaciones estructurales, deben tener propiedades de tracción que cumplan los requisitos de códigos y normas pertinentes. Estos requisitos son niveles mínimos de resistencia y ductilidad. Por ello, la información del ensayo de tracción a menudo se subutiliza. Sin embargo, el examen directo de las interacciones metalúrgicas que influyen en los resultados puede mejorar considerablemente la utilidad de los datos. El examen de estas interacciones y su correlación con variables metalúrgicas/materiales/aplicación (tratamiento térmico, acabado superficial, entorno de ensayo, estado de tensiones, exposiciones termo-mecánicas previstas) puede conducir a mejoras significativas en eficiencia y calidad de uso de hierros y aceros en aplicaciones de ingeniería.

El ensayo de tracción se realiza por muchas razones. Las propiedades de tracción se incluyen normalmente en especificaciones de material para asegurar calidad y se usan a menudo para predecir el comportamiento bajo diferentes formas de carga que no sean tracción uniaxial. El resultado se usa en selección de materiales para usos de ingeniería. Proporciona una técnica relativamente fácil y barata para desarrollar datos de propiedades mecánicas para selección, calificación y utilización en aplicaciones de ingeniería. Estos datos se usan para establecer idoneidad para una aplicación particular y/o base de comparación con materiales sustitutos.

Comportamiento elástico de hierros y aceros

Las estructuras de hierro y acero suelen diseñarse para que el material sufra cargas elásticas durante condiciones normales de servicio. Estas cargas producen deformaciones elásticas o reversibles. El balanceo de un edificio alto de acero bajo viento fuerte es ejemplo donde la deformación elástica es visible. La flexión de un eje de automóvil y el estiramiento de un puente al paso de vehículos son ejemplos menos notables. La magnitud de la deformación depende de los módulos elásticos del material. Aunque los módulos elásticos no se determinan generalmente por ensayo de tracción, el comportamiento a tracción puede mostrar la importancia de las propiedades elásticas en selección y uso.

El módulo de Young del hierro (Fe) (207 GPa) es casi 2 veces el del cobre (Cu) (117 GPa) y ~3 veces el del aluminio (Al) (69 GPa). Por su mayor módulo, un componente de Fe se deforma menos que uno similar de Cu o Al bajo carga equivalente. En ensayo de tracción, las deformaciones elásticas para varillas de 12,8 mm de diámetro cargadas a 455 kg son: 0,00016 mm/mm (Fe), 0,00029 mm/mm (Cu), 0,0005 mm/mm (Al). La capacidad del acero para resistir deformación elástica se debe a su "rigidez", y el módulo de Young (E) es una medida de esta propiedad. Construcciones que necesitan estructuras muy rígidas deben usar componentes muy masivos o materiales con altos módulos elásticos. Como el módulo del Fe es superior al de muchos materiales, hierros y aceros se usan a menudo donde se requiere alta rigidez.

La ecuación que define el módulo de Young (E), "σ = E·ε", se basa en que la deformación a tracción (ε) es linealmente proporcional al esfuerzo aplicado (σ). Esta relación lineal explica bien el comportamiento bajo la mayoría de situaciones prácticas. Sin embargo, bajo cargas cíclicas o vibratorias, incluso ligeras desviaciones de la elasticidad lineal pueden volverse importantes. Una medida de la desviación es la respuesta anelástica del material.

Anelasticidad

La anelasticidad es un proceso de deformación totalmente reversible y dependiente del tiempo. La dependencia temporal se debe a la falta de movimiento atómico inmediato durante la aplicación de carga. Existen muchos mecanismos para deformación dependiente del tiempo, incluyendo movimiento difusivo de átomos de impureza, que simplemente saltan a sitios de red cercanos favorecidos por la carga.

La carga a tracción de material de hierro/acero (aleación Fe-C) produce deformaciones elásticas, distorsionando su estructura cúbica centrada en el cuerpo (CCC) a tetragonal centrada en el cuerpo (CCT). El C en solución sólida produce distorsión similar. Hay una diferencia básica: la distorsión media por carga de tracción es anisotrópica (cada celda unitaria se alarga en dirección de la carga y contrae lateralmente por coeficiente de Poisson). En cambio, la distorsión media por disolución de C es isotrópica, aunque cada átomo de C produce distorsión anisotrópica localizada.

Los átomos de C en solución en Fe ocupan sitios intersticiales (Fig. 1). Como son demasiado grandes para los sitios, un átomo de C en sitio X empuja átomos Fe A y B, alargando la celda en dirección x. Similarmente, en sitio Y alarga en y, y en Z en z. En un grano de Fe o α sin tensiones, los átomos de C se distribuyen aleatoriamente en X, Y, Z. Así, aunque cada celda se distorsiona en una dirección, la distorsión global es básicamente isotrópica.

La aplicación de tensión de tracción causa sitios intersticiales favorecidos. Si la tensión es paralela a x, sitios tipo X se expanden y son favorecidos para átomos de C. Tipo Y si tensión en y, tipo Z si en z. Durante el ensayo, los átomos de C migran/difunden a sitios favorecidos por la carga. Esta migración es dependiente de tiempo y temperatura y puede causar deformación anelástica. La aplicación brusca de carga puede deformar elásticamente la red a tal velocidad que la migración de C no ocurre al aplicar la carga.

Sin embargo, si el material permanece bajo carga, la migración dependiente del tiempo produce deformación adicional de red por la tendencia del C intersticial a empujar átomos de Fe en dirección de la tensión. Esta deformación adicional es la deformación anelástica. Asimismo, si la carga se libera bruscamente, la deformación elástica se recupera inmediatamente, mientras la recuperación de la anelástica necesita tiempo mientras los átomos de C se relocalizan desde sitios favorecidos a distribución uniforme. La dependencia temporal de ambas deformaciones se muestra esquemáticamente en Fig. 1.

La combinación de deformación elástica y anelástica hace que el módulo de Young, determinado durante el ensayo, sea dependiente de la velocidad de carga (o deformación) y puede producir amortiguamiento o fricción interna en material sometido a cargas cíclicas. La deformación anelástica es una causa de relajación de tensiones durante el ensayo cuando la probeta se carga y mantiene a desplazamiento fijo. Esta relajación se llama "efecto elástico retardado" y resulta de una caída dependiente del tiempo de la carga necesaria para mantener el desplazamiento, al moverse átomos a sitios favorecidos. Este efecto demuestra la importancia del tiempo o velocidad de carga en los resultados.

La deformación reversible total que acompaña a la aplicación de carga es la suma de deformaciones elástica y anelástica. La aplicación rápida hace que la anelástica tienda a cero (tiempo insuficiente), por lo que la deformación total es igual a la elástica real. La aplicación muy lenta permite que la anelástica acompañe la carga, superando la deformación reversible en carga rápida. El valor medido del módulo en ensayo a baja velocidad es menor que en alta velocidad; por tanto, el módulo medido es dependiente de la velocidad de deformación. El valor bajo se denomina "módulo relajado" y el de alta velocidad "módulo no relajado".

Capacidad de amortiguamiento

Los ensayos de tracción y cargas cíclicas a menudo se realizan a velocidades de deformación o carga intermedias entre las necesarias para comportamiento totalmente relajado y totalmente no relajado. Por tanto, en carga o descarga, la porción inicial produce comportamiento no relajado, mientras las porciones posteriores producen comportamiento más relajado. La transición produce histéresis en la curva esfuerzo-deformación, representando pérdida de energía durante el ciclo. La pérdida es proporcional a la magnitud de la histéresis. Esta pérdida, atribuible a efectos anelásticos en la red, se denomina "fricción interna". La fricción interna juega papel clave en la capacidad de absorber energía vibratoria, pudiendo elevar la temperatura del material durante el ciclo. Una medida de la susceptibilidad a fricción interna es la capacidad de amortiguamiento.

Como la anelasticidad y fricción interna dependen de tiempo y temperatura, la capacidad de amortiguamiento es dependiente de temperatura y velocidad de deformación. La fricción interna y amortiguamiento juegan roles clave en la respuesta a vibraciones. Materiales ensayados bajo condiciones que causan fricción interna significativa sufren grandes pérdidas de energía y tienen alta capacidad de amortiguamiento. Son útiles para absorción de vibraciones. Ejemplo: hierro fundido gris, con muy alta capacidad de amortiguamiento, usado regularmente para bases de instrumentos y equipos que deben aislarse de vibraciones. Bancos de laminación, tornos, prensas, etc. usan bases de hierro fundido para reducir transmisión de vibraciones al suelo. Sin embargo, alta capacidad de amortiguamiento no siempre es cualidad útil.

La anelasticidad, amortiguamiento, relajación de tensiones y módulos elásticos también dependen de la microestructura y condiciones de ensayo. No suelen determinarse por técnicas de ensayo de tracción, pero influyen en la forma de la curva esfuerzo-deformación.

Límite proporcional

El esfuerzo aparente necesario para producir el inicio de curvatura en la relación esfuerzo-deformación es el límite proporcional (LP). Se define como el esfuerzo máximo al que la deformación permanece proporcional al esfuerzo. La salida de proporcionalidad puede atribuirse a anelasticidad y/o inicio de deformación plástica. La capacidad de detectar estos fenómenos depende de la precisión en medir esfuerzo y deformación. El valor medido de LP disminuye al aumentar la precisión. Como el LP medido depende de la precisión, no se reporta generalmente como propiedad de tracción. Tampoco tiene utilidad práctica en selección, calificación y uso de materiales. Un esfuerzo mucho más reproducible y práctico es el límite elástico (LE).

Cedencia de materiales e inicio de plasticidad

El LE de hierros y aceros puede definirse como el esfuerzo al que el material muestra una desviación especificada de la proporcionalidad entre esfuerzo y deformación. Desviaciones muy pequeñas pueden ser causadas por efecto anelástico, pero esta salida es totalmente reversible y no representa inicio de deformación plástica (no reversible) o cedencia significativa. El valor teórico del LE se calcula: LE = E/2π (E = módulo de elasticidad, π = 3,14159). Teóricamente, la cedencia no ocurre a menos que el esfuerzo aplicado sea una fracción significativa del módulo. Esta estimación sobrestima el LE medido al menos 150 veces en hierros y aceros. La discrepancia se debe al movimiento de dislocaciones. Las dislocaciones son defectos en la red cristalina, y su movimiento es mecanismo primario de deformación plástica. La técnica que altera el LE depende de interacciones de defectos para alterar la facilidad de movimiento de dislocaciones.

La movilidad de dislocaciones depende de: contenido de aleación, extensión de trabajo en frío, tamaño/forma/distribución de inclusiones y partículas de segunda fase, y tamaño de grano. La resistencia aumenta con el contenido de aleación, ya que átomos de aleación/impureza interactúan con dislocaciones impidiendo su movimiento. Este fortalecimiento resulta de interacción de defecto puntual con defecto lineal.

El trabajo en frío es técnica efectiva para aumentar resistencia. Funciona porque el número de dislocaciones aumenta con el porcentaje de trabajo en frío, constriñendo el movimiento de otras dislocaciones. Es ejemplo de fortalecimiento por interacción de defectos lineales entre sí.

Los bordes de grano y fase también bloquean movimiento de dislocaciones. Así, el LE aumenta al aumentar número de bordes de grano y/o porcentaje de segunda fase. La disminución del tamaño de grano aumenta bordes por unidad de volumen, aumentando densidad de defectos de área. Como interacciones entre defectos de área y lineales restringen movilidad, el LE aumenta al disminuir tamaño de grano y aumentar partículas de segunda fase.

Hierros y aceros muestran amplia gama de LE por diferentes mecanismos de fortalecimiento. El rango depende de tamaño de grano, % trabajo en frío, distribución de partículas de segunda fase, y otros parámetros microestructurales cuantificables. El valor del parámetro depende de la historia termo-mecánica del material. Por tanto, el conocimiento de variables metalúrgicas importantes es casi necesario para interpretación inteligente de datos de LE y para diseño y utilización de estructuras y componentes.

La definición más común de LE es el esfuerzo necesario para causar deformación plástica de 0,002 mm/mm (0,2 % offset). Esta deformación representa desviación medible de proporcionalidad, y el esfuerzo para producirla es el LE al 0,2 % offset. Se necesita movimiento significativo de dislocaciones antes de alcanzar 0,2 % de desviación. Por tanto, en ensayo estándar, el LE al 0,2 % es casi independiente de variables de máquina, efectos de sujeción y deformaciones no lineales reversibles como anelasticidad. Por esta independencia, es propiedad reproducible usada en descripción de propiedades mecánicas. Aun así, la magnitud del LE (o cualquier propiedad de tracción) depende de la estructura de defectos del material ensayado. Por tanto, la historia termo-mecánica debe conocerse si el LE se usa como parámetro de diseño significativo.

Punto de cedencia

El inicio del movimiento de dislocaciones en algunos hierros y aceros, principalmente aceros al C bajos ensayados a temperatura ambiente, es brusco, no gradual. Esta cedencia brusca hace impráctica la representación por método de 0,2 % offset. Debido a la cedencia brusca, la curva esfuerzo-deformación en acero dulce tiene un punto de cedencia (PC), y el LE se describe por el esfuerzo de cedencia inferior. El PC se desarrolla por interacciones de átomos de soluto (disueltos) y dislocaciones en la red solvente (huésped). La interacción en aceros dulces implica migración de C e interacción con dislocaciones. Como la interacción causa alta concentración de soluto cerca de dislocaciones, el PC se dice que se desarrolla por segregación de C a dislocaciones.

Muchos sitios intersticiales alrededor de dislocaciones están agrandados, siendo sitios de baja energía o favorecidos para ocupación por átomos de soluto. Cuando estos sitios se ocupan, una alta concentración o "atmósfera" de soluto se asocia con la dislocación. En acero dulce, la segregación produce atmósfera rica en C. El movimiento de la dislocación se restringe ya que necesita separación de la atmósfera de C. Tan pronto como ocurre la separación, el esfuerzo para movimiento continuo disminuye y, en ensayo de tracción, se alcanzan los esfuerzos de cedencia inferiores. Este proceso involucra movimiento de dislocaciones en regiones localizadas de la probeta. Como el movimiento es deformación plástica, las regiones donde se movieron representan regiones deformadas o bandas (bandas de Lüder). Una vez iniciadas, deformación adicional causa propagación de bandas a lo largo de la longitud de medida.

Esta propagación ocurre a esfuerzo constante = esfuerzo de cedencia inferior. Cuando toda la sección ha cedido, la curva comienza a subir por interacción de dislocaciones entre sí, iniciando el endurecimiento por deformación. La existencia de PC y bandas de Lüder es importante por el impacto del ablandamiento brusco y deformación localizada en técnicas de procesamiento. Ejemplo: cedencia localizada brusca causa flujo errático de material. Flujo errático es indeseable en estirado ya que la carga en equipos cambia rápidamente, liberando gran energía que debe absorber el equipo. Además, deformaciones localizadas de Lüder producen marcas de estiramiento en estampado ("stretcher strains"), aparentes en superficies estampadas, deteriorando apariencia y reduciendo utilidad. Si material sin PC se estampa, se desarrolla superficie lisa ya que el endurecimiento distribuye uniformemente la deformación.

Efectos del tamaño de grano en la cedencia

Los hierros y aceros en aplicaciones estructurales son policristalinos, conteniendo gran número de cristales microscópicos o granos. El tamaño es difícil de definir precisamente por la forma 3D compleja. Si se asume esférico, el diámetro (d) puede especificar el tamaño. Para mayor precisión, se usa intercepto medio de grano (I) y relación (Sv) de superficie de borde a volumen. Estos parámetros se establecen mediante técnicas metalográficas cuantitativas.

Por razones históricas, el parámetro d es la medida más común para describir la influencia del tamaño de grano en el LE. Esta influencia se cuantifica a menudo mediante la relación Hall-Petch: LE = σ₀ + k·d⁻¹ᐟ².

Los bordes de grano actúan como barreras al movimiento de dislocaciones, causando acumulación detrás de ellos. Esta acumulación concentra tensiones en la punta, y cuando el esfuerzo es suficiente, nuevas dislocaciones pueden nuclearse en el grano adyacente. La magnitud del esfuerzo en la punta depende del número de dislocaciones en la acumulación. Este número aumenta con el tamaño de grano por mayor volumen. Esta diferencia en facilidad de nucleación extrapola directamente a diferencia en LE.

Efecto del trabajo en frío y endurecimiento por deformación

La deformación plástica a temperatura superior a la de recristalización es trabajo en caliente; a temperatura inferior, trabajo en frío. Durante ensayo de tracción por encima de temperatura de recristalización, no muestran endurecimiento significativo, y el LE se convierte en el esfuerzo máximo que el material puede soportar. La curva esfuerzo-deformación muestra que el esfuerzo para deformación plástica continua aumenta con la deformación.

El esfuerzo para deformación continua se designa frecuentemente como esfuerzo de fluencia a esa deformación. El aumento del esfuerzo de fluencia con la deformación es base para aumentar resistencia por trabajo en frío. El efecto del tamaño de grano en la resistencia se retiene durante el trabajo en frío. Esto establece posibilidad de interacción entre mecanismos de fortalecimiento. Ejemplo: trabajo en frío aumenta resistencia por interacción defecto puntual-dislocación, efectos aditivos a los de aleación.

La resistencia no es la única propiedad afectada. La ductilidad disminuye con el trabajo en frío, y si es excesivo, la barra puede agrietarse y fracturarse durante el proceso. El efecto global es que el aumento de resistencia y disminución de ductilidad reduce el área bajo la curva esfuerzo-deformación. Esto es importante ya que esta área representa el trabajo/energía para fracturar la barra, y esta energía disminuye al aumentar el % de trabajo en frío.

El trabajo en frío (laminado, estirado, estampado, forjado) cambia la microestructura. La forma del grano resultante depende de la dirección del flujo de metal. En laminado en frío, granos se alargan y aplanan, cambiando de semi-esféricos a "panqueque". El estirado de varillas produce granos en forma de aguja. Además, el interior del grano se distorsiona. Se desarrollan bandas de alta densidad de dislocaciones (bandas de deformación), límites de macla se curvan, y bordes de grano se vuelven rugosos y distorsionados. Como los cambios inducidos son anisotrópicos, las propiedades de tracción de aceros forjados son a menudo anisotrópicas. Las microestructuras endurecidas y propiedades resultantes pueden alterarse significativamente por recocido. Los cambios microestructurales por calentamiento dependen de tiempo y temperatura, ya que se necesita movimiento atómico.

Resistencia a tracción

La capacidad de endurecerse por deformación es característica normal que separa hierros y aceros de otros materiales de ingeniería. No todos los materiales metálicos la muestran. Ejemplo: cromo (Cr) es muy frágil y fractura en ensayo de tracción sin endurecimiento. Las curvas de materiales frágiles son similares a cerámicos. La fractura ocurre antes de deformación plástica significativa. No tienen LE real, y el esfuerzo de fractura es el máximo. Sin embargo, hierros y aceros sufren deformación plástica antes de fractura, y el esfuerzo máximo (basado en dimensiones originales) es apreciablemente mayor que el LE. Este esfuerzo máximo es la resistencia a tracción (RT) o tensión última.

El margen entre LE y RT proporciona factor de seguridad operacional. Excepto este margen, el valor real de RT tiene poca utilidad práctica. La capacidad de una estructura para soportar cargas complejas guarda poca relación con RT, y el diseño debe basarse en cedencia. La RT es fácil de medir y se reporta a menudo por ser el esfuerzo máximo en la curva. Códigos de ingeniería a veces exigen requisitos de RT.

Históricamente, RT con reducciones basadas en experiencia para evitar cedencia, se usaba en cálculos de diseño. Al mejorar la precisión de medición de curvas esfuerzo-deformación, el uso de RT disminuyó, y hacia 1940 varios códigos se basaban en cedencia. Existe gran base de datos empírica correlacionando RT con dureza, resistencia a fatiga (RF), ruptura por fluencia, y propiedades mecánicas. Estas correlaciones, requisitos históricos y el hecho de que diseños con materiales frágiles deben basarse en RT, proporcionan base técnica para seguir usando RT como criterio de diseño.

El trabajo en frío y otros mecanismos de fortalecimiento no aumentan RT tan rápido como LE. Por tanto, los procesos de fortalecimiento a menudo reducen la capacidad de deformación plástica. Esto disminuye la capacidad de absorber energía antes de fractura, importante para utilización exitosa. El análisis del comportamiento a tracción puede dar insight sobre capacidades de absorción de energía.

Tenacidad

La capacidad de absorber energía sin fracturar se debe a la tenacidad. En la mayoría de casos, las fracturas se inician en defectos preexistentes: elementos de microestructura, grietas macroscópicas, o discontinuidades visibles. Un acero tenaz resiste propagación de defectos mediante procesos como cedencia y deformación plástica. La mayor deformación ocurre cerca de la punta del defecto. Como la fractura involucra esfuerzo de tracción y deformación plástica, la curva esfuerzo-deformación puede estimar tenacidad. Sin embargo, existen ensayos específicos (impacto, mecánica de fractura) con probetas pre-agrietadas. Los cálculos basados en comportamiento a tracción son estimaciones, no para diseño.

El área bajo la curva esfuerzo-deformación mide la energía absorbida durante el ensayo, estimación aproximada de tenacidad. Como la deformación plástica en hierros/aceros es típicamente varios órdenes de magnitud mayor que la elástica, la plasticidad o movimiento de dislocaciones es muy importante para desarrollar tenacidad. Esto se demuestra comparando curvas para materiales frágil, semi-frágil y dúctil. La fractura frágil ocurre con poca o ninguna deformación plástica, área A = 0,5·σ·ε. Estimación de energía de fractura para acero dulce típico (LE=205 MPa, RT=415 MPa, deformación a fractura=0,3) da 1,12 J/mm³.

La relación energía fractura dúctil/frágil es 900. Aumenta con mayor deformación a fractura y endurecimiento. La relación área-energía es solo aproximada. La utilidad es la facilidad de ensayo y el insight sobre importancia de plasticidad para prevenir fractura. Una deformación plástica de solo 0,01 % puede tener efecto notable en capacidad de absorber energía sin fracturar.

La tenacidad es muy importante para muchas aplicaciones estructurales. Brazos de grúa, cascos de barcos, ejes, engranajes, acoplamientos, deben absorber energía en servicio. La capacidad de soportar cargas sísmicas, sobrepresiones, accidentes menores también requiere tenacidad. Aumentar resistencia suele reducir ductilidad y, en muchos casos, tenacidad. Así, aumentar resistencia puede aumentar probabilidad de fallo en servicio cuando la tenacidad es importante.

Esto se ve comparando áreas bajo dos curvas en Fig. 2. Las áreas sombreadas muestran el módulo de resiliencia. La capacidad de absorber energía por proceso elástico es la resiliencia. El módulo de resiliencia es el área bajo la porción elástica de la curva. Aumentar LE y/o disminuir módulo de Young aumenta módulo de resiliencia y mejora capacidad de absorber energía sin deformación permanente.

Ductilidad del material

La ductilidad en ensayo de tracción se establece midiendo alargamiento a fractura o reducción de área (RA) en fractura. En general, la medición de ductilidad interesa de tres formas: (i) indicar hasta qué punto un acero puede deformarse sin fractura en operaciones de conformado (laminado, conformado, extrusión); (ii) indicar al diseñador, en forma general, la capacidad de fluir plásticamente antes de fractura; (iii) servir como indicador de cambios en nivel de impurezas o condiciones de procesamiento. La medición de ductilidad debe especificarse para evaluar calidad aunque no exista relación directa con desempeño.

La ductilidad a tracción es medida muy útil en evaluación de calidad. Muchos códigos y normas especifican valores mínimos. Una razón es asegurar tenacidad adecuada sin requerir especificación de tenacidad más costosa. La mayoría de cambios en composición/procesamiento producen cambios en ductilidad. Además, las características de conformado se correlacionan mejor con capacidad de endurecimiento que con ductilidad. Las capacidades de endurecimiento de muchos hierros/aceros para servicio de ingeniería se han cuantificado mediante análisis de comportamiento esfuerzo-deformación verdadero.

Relación esfuerzo-deformación verdadero

La conversión de comportamiento esfuerzo-deformación ingenieril a verdadero muestra que el máximo en la curva ingenieril resulta de inestabilidad a tracción, no de disminución de resistencia. La caída en la curva ingenieril es artificial y ocurre solo porque el cálculo de esfuerzo se basa en área transversal original. Ensayos y análisis muestran que, para la mayoría de hierros/aceros, la inestabilidad corresponde al inicio de estrangulamiento (necking) en la probeta. El estrangulamiento resulta de localización de deformación. Una vez iniciado, la deformación verdadera no puede calcularse a partir del alargamiento. Debido a estas limitaciones analíticas, si los datos de tracción se usan para entender y predecir respuesta metalúrgica durante deformación en procesos de fabricación, se prefiere relación esfuerzo-deformación verdadero.

La deformación que puede acomodarse sin fractura en estirado profundo varía con el material. Ejemplo: acero inoxidable austenítico puede estirarse con éxito a 50 % RA, mientras acero ferrítico puede fallar tras 20-30 % RA en operaciones similares. Ambos superan 50 % RA en ensayo de tracción. Esta diferencia en estirabilidad correlaciona con el exponente de endurecimiento (n) y es aparente en la pendiente de curvas esfuerzo-deformación verdadero.

Valores n para aceros ferríticos y austeníticos son típicamente 0,25 y 0,5. Material perfectamente plástico: n=0; sólido completamente elástico: n=1. La mayoría de hierros/aceros tienen n entre 0,1 y 0,5. Los exponentes correlacionan con capacidad de dislocaciones para moverse alrededor o sobre otras dislocaciones/obstáculos ("cross slip"). Cuando cross slip es fácil, dislocaciones no se acumulan y n es bajo. Acero dulce: cross slip fácil. n aumenta cuando cross slip se dificulta. En acero inoxidable austenítico es muy difícil, n≈0,5.

Probetas, chapas, alambres, varillas, etc. tienen variaciones puntuales en tamaño de sección, LE, y otras inhomogeneidades microestructurales/estructurales. La deformación plástica inicia en regiones localmente débiles. Sin endurecimiento, esta deformación inicial reduce sección neta y enfoca deformación en áreas débiles. Sin embargo, el endurecimiento aumenta el esfuerzo de fluencia en región deformada, aumentando carga para deformación continua y extendiendo deformación por toda la sección. Cuanto mayor n, mayor aumento de esfuerzo y mayor tendencia a deformación uniforme. Esto impacta majormente en fabricabilidad.

Ejemplo: RA máxima en operación de estirado = valor n de comportamiento esfuerzo-deformación verdadero. Por tal correlación, el efecto de variables de proceso (velocidad de deformación, temperatura) puede evaluarse mediante ensayo de tracción, proporcionando base para estimar efecto sin evaluación directa en proceso.

Efectos de temperatura y velocidad de deformación

El LE de la mayoría de hierros/aceros aumenta al aumentar velocidad de deformación y disminuye al aumentar temperatura. Esta dependencia resulta de combinación de factores metalúrgicos. Ejemplo: dislocaciones son desplazamientos y no pueden moverse más rápido que la velocidad del sonido. Al acercarse velocidades de dislocación a la del sonido, cross slip se dificulta y n aumenta. Este aumento eleva esfuerzo de fluencia a cualquier deformación, aumentando LE. Disminución de ductilidad e incluso transición dúctil-frágil pueden asociarse a aumentos de LE inducidos por velocidad.

En muchos aspectos, disminuir temperatura es similar a aumentar velocidad de deformación. La movilidad de dislocaciones disminuye al bajar temperatura, por lo que para la mayoría de hierros/aceros, resistencia aumenta y ductilidad disminuye al bajar temperaturas. Si la reducción de movilidad es suficiente, ductilidad puede reducirse a fractura frágil. Hierros/aceros que muestran transición dúctil-frágil al bajar temperatura no deben usarse en aplicaciones estructurales por debajo de esa temperatura de transición.

El movimiento de dislocaciones es inhibido por interacción entre dislocaciones y átomos de aleación/impureza (extraños). El efecto es dependiente de tiempo y temperatura. Actúa aumentando LE y limitando ductilidad. El proceso es más efectivo cuando hay tiempo suficiente para que átomo extraño se segregante a la dislocación y velocidad de dislocación ≈ velocidad de difusión del átomo extraño. Por tanto, a temperatura dada, la interacción dislocación-átomo extraño es máxima a alguna velocidad intermedia. A baja velocidad, el átomo extraño difunde tan rápido como la dislocación y hay poca tendencia a forzar separación. A altas velocidades, una vez lograda separación, no hay tiempo para restablecer atmósfera durante el ensayo. El movimiento atómico aumenta con temperatura, por lo que la velocidad que permite interacción es dependiente de temperatura. Como esta interacción limita ductilidad, el alargamiento puede mostrar mínimo a temperatura intermedia donde la interacción es muy efectiva.

El efecto de interacción dependiente del tiempo en la curva esfuerzo-deformación se denomina "envejecimiento por deformación" y "envejecimiento dinámico por deformación". El envejecimiento por deformación suele aparecer cuando el ensayo de material con PC agudo se interrumpe. Si la probeta se descarga tras deformarse más allá del PC, a través de región de deformación de Lüder y hasta porción de endurecimiento, se observan dos comportamientos al reanudar:

• Si se recarga en corto tiempo, la porción elástica de recarga es paralela a la curva original y deformación plástica reanuda al nivel de esfuerzo alcanzado antes de interrumpir.
• Si el tiempo entre descarga y recarga permite segregación de átomo extraño a dislocación, el PC reaparece y deformación plástica no se reinicia al nivel de descarga. Esta reaparición es envejecimiento por deformación, y la fuerza del pico depende de tiempo y temperatura (se necesita difusión y segregación).

Si la velocidad de deformación está en rango donde la segregación puede ocurrir durante el ensayo, se observa envejecimiento dinámico. La segregación ancla dislocaciones móviles y aumenta esfuerzo de fluencia; al alcanzar nuevo esfuerzo mayor, la dislocación se separa de la atmósfera y el esfuerzo disminuye. Este aumento y disminución alternados causan curva serrada.

El flujo serrado es usual en acero dulce por contener elementos de aleación/impureza móviles. Este efecto fue estudiado por Portevin y LeChatelier (efecto Portevin-LeChatelier). Las condiciones de procesamiento deben seleccionarse para evitar envejecimiento por deformación, controlando velocidad y temperatura de procesamiento.

Métodos de ensayo especiales

El ensayo de tracción proporciona información básica sobre respuesta a carga mecánica. Temperatura y velocidad de deformación (o carga) normalmente se controlan por sus efectos en respuesta metalúrgica. El ensayo mide resistencia y ductilidad. Estos parámetros son sensibles a configuración de probeta, entorno de ensayo y forma de conducción. Se han desarrollado métodos especiales para medir efecto de condiciones de probeta/ensayo en resistencia y ductilidad: ensayo de tracción con entalla y ensayo a velocidad de deformación lenta.

Ensayo de tracción con entalla

Hierros/aceros en aplicaciones de ingeniería a menudo deben soportar cargas multiaxiales y altas concentraciones de tensión por configuración. El ensayo estándar mide desempeño en probeta lisa bajo carga uniaxial. Esta diferencia puede reducir capacidad de predecir respuesta bajo condiciones previstas. La reducción de ductilidad inducida por carga multiaxial y concentración de tensión puede no ser visible en resultados estándar. El ensayo con entalla se desarrolló para minimizar esta debilidad y examinar comportamiento en presencia de defectos, entallas y concentraciones.

La probeta con entalla suele contener entalla de 60° con radio de raíz < 0,025 mm. El estado de tensiones bajo la punta se acerca a tensión triaxial, y para aceros dúctiles normalmente aumenta LE y disminuye ductilidad. Este aumento resulta del efecto del estado de tensiones en dinámica de dislocaciones. Se necesita esfuerzo de corte para movimiento de dislocaciones. Carga triaxial pura no produce esfuerzo de corte. Por tanto, movimiento en punta de entalla se limita y LE aumenta. Esta restricción también reduce ductilidad. Para aceros de baja ductilidad, la reducción inducida por entalla puede ser tan severa que falla antes de alcanzar LE al 0,2 %.

La sensibilidad a efecto de entalla se denomina "sensibilidad a entalla", cuantificada por relación resistencia con entalla / RT de probeta lisa. Material sensible tiene relación < 1. Datos de probeta lisa no predicen satisfactoriamente comportamiento en servicio. Material tenaz y dúctil a menudo se fortalece con entalla (relación > 1), por lo que el ensayo estándar es predictor conservador.

Ensayo a velocidad de deformación lenta

Los entornos de ensayo también pueden afectar adversamente el comportamiento a tracción. La caracterización del efecto ambiental puede lograrse conduciendo el ensayo en el entorno de interés. Como la severidad del ataque ambiental suele aumentar con el tiempo, los ensayos para determinar efectos ambientales a menudo se realizan a velocidad de deformación muy baja. La baja velocidad aumenta tiempo de ensayo y maximiza exposición. Este tipo se denomina "ensayo a velocidad de deformación lenta" (SSRT) o "ensayo a velocidad de extensión constante" (CERT). La exposición a entorno agresivo puede reducir resistencia y/o ductilidad, pudiendo acompañarse de agrietamiento superficial y/o cambio en modo de fractura. Estudios SSRT/CERT que muestran efectos dañinos establecen susceptibilidad a degradación ambiental.

Esta susceptibilidad puede causar preocupación sobre uso del material en ese entorno. Por el contrario, el ensayo puede mostrar que el comportamiento no se ve influenciado y es adecuado. SSRT/CERT pueden usarse para cribar materiales para exposiciones de servicio potenciales y/o examinar efectos de cambios operacionales previstos en materiales de sistemas de proceso. En ambos casos, la intención es evitar uso bajo condiciones que degraden resistencia y ductilidad causando fallo prematuro. Además de datos de tracción, evidencia de efecto ambiental adverso puede encontrarse examinando morfología de fractura de probetas CERT y SSRT.

Características de fractura

La fractura a tracción de hierros/aceros dúctiles generalmente inicia internamente en la porción estrangulada. Partículas como inclusiones, segunda fase dispersa, y/o precipitados pueden servir como sitios de nucleación. El proceso comienza con desarrollo de pequeño hueco o micro-vacío en interfase partícula-matriz. La deformación continua agranda el micro-vacío hasta que contacta otros y coalescen. Este proceso, "coalescencia de micro-vacíos", da origen a topografía de superficie de fractura con hoyuelos característica de procesos de fallo dúctil.

La topografía de fractura frágil difiere significativamente. Generalmente inicia en imperfecciones en superficie externa y propaga por proceso de clivaje trans-granular o separación a lo largo de bordes de grano. Topografía resultante: facetada, quizás con patrón de ríos típico de clivaje, o inter-granular, apariencia "caramelo de roca". El material puede ser intrínsecamente frágil o la fragilidad introducida por tratamiento térmico, bajar temperatura, entorno agresivo, y/o entalla aguda.

Temperatura, velocidad de deformación, entorno, y otras condiciones, incluyendo acabado superficial, son generalmente bien establecidas. Entender efectos de estos parámetros en características de fractura puede ser muy útil para determinar susceptibilidad a degradación durante fabricación o aplicación. Típicamente, cualquier tratamiento o condición que cambie el proceso de fractura de coalescencia de micro-vacíos a modo más frágil reduce ductilidad y tenacidad y puede promover fractura temprana bajo condiciones de servicio. Como el proceso de fractura es muy sensible a condición metalúrgica y condiciones de ensayo, la caracterización de superficie de fractura es componente importante de muchos programas de ensayo de tracción.