ASTM D790 Ensayo de flexión en 3 puntos en plásticos
El ensayo de flexión en 3 puntos según ASTM D790 es uno de los métodos de ensayo más importantes para determinar el módulo de flexión, la resistencia a flexión y las tensiones de flexión en plásticos, composites reforzados con fibras y materiales aislantes.
Sin embargo, en la práctica se producen con frecuencia desviaciones de medición. Con una tecnología de ensayo perfectamente adaptada de ZwickRoell, secuencias de ensayo normalizadas y una adquisición de datos automatizada, es posible reducir considerablemente estos factores de influencia.
Fuentes de error frecuentes Realización del ensayo y equipos Preguntas frecuentes Descargas Solicite asesoramiento
ASTM D790: Un vistazo a lo más importante
- La norma ASTM D790 describe el ensayo de flexión en 3 puntos para determinar las propiedades de flexión de plásticos reforzados y no reforzados, composites de fibras de alto módulo y materiales aislantes. Las magnitudes típicas según la norma ASTM D790 son el módulo de flexión, las tensiones y deformaciones en el punto de fluencia, la resistencia a la flexión y el alargamiento de rotura por flexión. Los ensayos se utilizan para plásticos semirrígidos y rígidos, pero sólo se realizan hasta una deformación por flexión máxima del 5%.
- Las principales causas de desviaciones en los resultados de ensayo no suelen encontrarse en la propia máquina de ensayos, sino en la medición de las probetas, la relación entre la distancia entre apoyos y el espesor de la probeta, la alineación de la configuración de ensayo y la selección de la velocidad de ensayo.
- Un error de medición de tan solo 0,1 mm en una probeta de 3,2 mm puede provocar una desviación superior al 5 % en la tensión de flexión calculada.
- La ASTM D790 permite utilizar distintos métodos para medir la deflexión. Su precisión influye directamente en la determinación del módulo.
- Los dispositivos de flexión ajustables, los transductores de desplazamiento de alta precisión y las secuencias de ensayo automatizadas ayudan a reducir la influencia del usuario y la dispersión.
- El software de ensayo testXpert facilita la configuración de parámetros según la norma, el cálculo automático de la velocidad y la evaluación centralizada de los datos de ensayo.
La norma ASTM D790 en la práctica: Fuentes de error habituales y cómo influyen en los resultados del ensayo
El ensayo de flexión en 3 puntos según ASTM D790 puede parecer sencillo de realizar, pero en la práctica existen varios factores que provocan una mayor dispersión, valores de módulo erróneos o resultados no comparables:
- Medición de probeta: Dado que en ASTM D790 el espesor de la probeta influye al cuadrado en el cálculo de la tensión de flexión, incluso pequeñas desviaciones de medición tienen un impacto desproporcionado en el resultado. Un error de medición de tan solo 0,1 mm en una probeta con un espesor de 3,2 mm puede alterar en más de un 5 % la tensión de flexión calculada y, por tanto, afectar a los valores de la resistencia a flexión y del módulo.
- Relación entre el espesor y la distancia entre apoyos: Si no se respeta la relación entre la distancia entre apoyos y el espesor de la probeta especificada por la norma, aumentan las tensiones de cizallamiento y existe el riesgo de que se produzcan roturas por cizallamiento y se obtengan valores de módulo erróneos. Esto es especialmente importante en composites reforzados con fibras con una baja resistencia al cizallamiento.
- Alineación del dispositivo de flexión: Los errores de ángulo entre los apoyos o entre los apoyos y el punzón de flexión provocan al inicio del ensayo un contacto puntual en lugar de un contacto lineal. Como consecuencia, la probeta experimenta inicialmente una deformación torsional, que se manifiesta como un «pie de curva» en el diagrama tensión-deformación y puede influir especialmente en el módulo secante y el módulo de cuerda.
- Medición de la deflexión: Si no se corrige la flexibilidad de la configuración de ensayo, las deformaciones de la máquina se incluyen en el resultado. La deformación real del material es menor, los módulos de flexión se ven alterados y no es posible comparar los resultados de distintos sistemas de ensayo.
- Velocidad de ensayo: La velocidad de deformación especificada por ASTM D790 no debe equipararse directamente con la velocidad del travesaño, sino que debe calcularse a partir del espesor de la probeta, la distancia entre apoyos y el método A o B. Los errores en esta conversión pueden alterar los valores de módulo, el punto de fluencia, las tensiones de flexión y la comparabilidad de los resultados.
- Limitaciones de los modelos de cálculo de la norma: Las fórmulas de ASTM D790 solo son válidas para pequeñas deflexiones. En caso de deformaciones mayores, las no linealidades geométricas pueden alterar el cálculo de la tensión y la deformación; por este motivo, la norma ASTM D790 limita el método B a una deformación por flexión máxima del 5 %.
¿Desea mejorar la reproducibilidad de sus ensayos según ASTM D790 o resolver dudas sobre la configuración de ensayo, la tecnología de ensayo o la interpretación de la norma?
Su experto local de ZwickRoell estará encantado de ayudarle a elegir una solución adecuada para el material, la aplicación de ensayo y el volumen de ensayos.
Realización del ensayo de flexión en 3 puntos según ASTM D790 con ZwickRoell
Pasos críticos del ensayo y soluciones de ZwickRoell:
ASTM D790 se utiliza siempre que sea necesario evaluar y comparar de forma fiable las propiedades de flexión de plásticos o composites reforzados con fibras: desde el desarrollo de materiales y el control de calidad en la producción en serie hasta los ensayos de aceptación de materiales de moldeo por inyección o la evaluación de cambios debidos al envejecimiento o al proceso. Precisamente porque los resultados se comparan en contextos tan diferentes, es necesario disponer del equipamiento adecuado en los pasos decisivos del ensayo. Así ayuda ZwickRoell a evitar desde el principio las fuentes de error habituales:
Selección del bastidor de carga Medición de las probetas Alineación de la configuración de ensayo Medición de la deflexión Determinación de la velocidad de ensayo Opciones de automatización Software de ensayo testXpert
Así se realiza el ensayo conforme a la ASTM D790
En el ensayo de flexión en 3 puntos según ASTM D790, se coloca una probeta de sección rectangular sobre dos apoyos y se somete a carga mediante un punzón de flexión situado en el centro utilizando una máquina de ensayos con una velocidad de ensayo definida. Durante el ensayo se miden y registran de forma continua la fuerza y deflexión de la probeta ejercida por el punzón de flexión debajo del punzón. A partir de los valores medidos, las dimensiones de la probeta y la distancia entre apoyos pueden determinarse el módulo de flexión, la resistencia a flexión, las tensiones de flexión y las deformaciones por flexión.
Dependiendo del material, el ensayo se realiza según el método A o B con diferentes velocidades de deformación. El ensayo finaliza con la rotura la probeta o, como máximo, al alcanzar una deformación por flexión del 5 %. Para obtener resultados fiables, la geometría de la probeta, la relación entre la distancia entre apoyos y el espesor, la velocidad de ensayo y la medición de la deflexión deben estar coordinadas entre sí conforme a norma.
Selección del bastidor de carga
Para realizar el ensayo de flexión en 3 puntos según ASTM D790 pueden utilizarse las máquinas universales de ensayos zwickiLine, ProLine y AllroundLine. Para realizar exclusivamente ensayos de flexión en plásticos, por regla general basta con una zwickiLine. Sin embargo, la fuerza de ensayo máxima no es el único factor que debe tenerse en cuenta al seleccionar la máquina de ensayos. En la práctica, a menudo se pretende realizar diferentes ensayos de plásticos, como ensayos de tracción y flexión, en una misma plataforma. Además, el grado de automatización deseado y la solución de extensometría utilizada o disponible también influyen en la selección del sistema. ASTM D790 exige una precisión de medición de fuerza de ±1 % del valor medido. Gracias a la elevada precisión de medición de las máquinas universales de ensayos modulares de ZwickRoell, que se alcanza a partir de tan solo 1/1000 del rango de medición, pueden utilizarse, por ejemplo, una 10 kN ProLine o AllroundLine de 10 kN con una célula de carga dimensionada adecuadamente para realizar ensayos de tracción y flexión.
Medición precisa de las dimensiones de las probetas
Dado que el espesor de la probeta influye directamente en los valores característicos calculados, su medición precisa constituye uno de los pasos más importantes del ensayo. La transferencia directa de los valores medidos desde micrómetros o calibres a testXpert reduce los errores de transferencia y mejora la trazabilidad de los resultados.
Alineación exacta de la configuración de ensayo
El dispositivo de flexión de ZwickRoell dispone de apoyos con calibres de distancia bien diseñados, ajustables y alineables, así como de elementos auxiliares diseñados para el centrado exacto de las probetas. De este modo, pueden reducirse los errores de ángulo y evitarse las alteraciones habituales en la determinación del módulo. Esto contribuye a obtener resultados reproducibles, especialmente en la evaluación del módulo.
Medición adecuada de la deflexión
Según ASTM D790, la deflexión en el centro entre los apoyos puede medirse mediante la posición del travesaño (tipo I) o directamente mediante un sistema transductor de desplazamiento separado (tipo II). Este último constituye la forma de medición más precisa y es indispensable para garantizar la comparabilidad entre laboratorios. La medición mediante el recorrido del travesaño se utiliza principalmente para tareas sencillas de control de calidad.
- Para la medición de la deflexión a través de la posición del travesaño según el tipo I, el software de ensayo testXpert ofrece una corrección automática de la deformación inherente del equipo de ensayos, en la que se determina la curva de deformación real de la probeta y se guarda en el software de ensayo.
- Gracias a la nuestros sistemas de ensayos de construcción modular, ZwickRoell ofrece diferentes opciones de transductores de desplazamiento de tipo II que cumplen estos requisitos y cuya selección depende de la posibilidad de combinarlos con otros métodos de ensayo: Transductores de desplazamiento mecánicos para ensayos de compresión y flexión, colocados directamente sobre la probeta entre los apoyos, o extensómetros clip-on, extensómetros de brazos palpadores makroXtens y multiXtens o sistemas ópticos videoXtens, que también pueden utilizarse para ensayos de tracción.
Cálculo automático de la velocidad de ensayo
En función del método de ensayo A o B seleccionado y de la velocidad de deformación especificada, el software de ensayo testXpert calcula automáticamente la velocidad de ensayo conforme a norma y guía al usuario paso a paso durante el ensayo, incluida una configuración coherente de los parámetros al cambiar entre los métodos A y B.
Automatización de ensayos según ASTM D790
Especialmente cuando se trabaja con un elevado número de probetas, la dispersión suele deberse a pasos manuales del proceso. Los sistemas de ensayo automatizados reducen la influencia del operador, estandarizan las secuencias de ensayo y aumentan la reproducibilidad. Al mismo tiempo, liberan al personal de laboratorio de tareas rutinarias. De este modo, el personal queda disponible para tareas más complejas como la interpretación de los datos obtenidos, evaluaciones, valoración de nuevos materiales o para las actividades de investigación.
En los ensayos de flexión según ASTM D790 la automatización puede ser una solución interesante a partir de 10 probetas al día. Nuestro sistema de ensayos ALEX se encarga de tareas sencillas de pick-and-place y ofrece una asistencia rentable en el laboratorio de ensayos. Para volúmenes de ensayo más elevados y requisitos más exigentes, los sistemas roboTest N, roboTest L y roboTest R de ZwickRoell ofrecen una alternativa.
La combinación de diferentes ensayos, por ejemplo, ensayos de tracción según ASTM D638 y ensayos de flexión según ASTM D790, es posible mediante una simple conversión o incorporando varios dispositivos de ensayo en un único sistema.
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ASTM D790: Ensayos eficientes y reproducibles con el software de ensayo testXpert
El software de ensayo testXpert facilita la realización de ensayos según ASTM D790 conforme a norma mediante plantillas de ensayo estandarizadas y procesos de trabajo guiados, reduce los errores del operario y permite realizar los ensayos hasta un 30 % más rápido:
Funciones principales:
- Secuencias de ensayo normalizadas con guía clara para el usuario: El programa de ensayo estándar de testXpert contiene todos los valores característicos relevantes de ASTM D790 y guía al usuario paso a paso durante el ensayo. Mediante la administración de usuarios, solo se muestran los pasos de ensayo necesarios en cada caso, lo que reduce los errores del operario y permite estandarizar los procesos.
- La transferencia directa de las dimensiones de las probetas desde los instrumentos de medición ahorra tiempo y reduce los errores.
- Almacenamiento y evaluación centralizados de los datos: Con testXpert Analytics, todos los datos de ensayo –también los de ensayos distintos de ASTM D790– pueden evaluarse de forma centralizada y los valores característicos de diferentes series de ensayos pueden compararse de forma clara.
- Integración con sistemas ERP y de control de calidad: Las interfaces estándar permiten transferir de forma rápida y sin errores las especificaciones de ensayo y los resultados entre testXpert y sus sistemas.
- El Trend Analysis detecta desviaciones a largo plazo con una simple evaluación de larga durada.
Preguntas frecuentes sobre el ensayo de flexión en 3 puntos según ASTM D790
El ensayo de flexión en 3 puntos según la norma ASTM D790 representa la metodología clásica para la caracterización de plásticos rígidos y semirrígidos. Las propiedades de flexión determinadas en estos ensayos son de gran importancia para garantizar a diseñadores, ingenieros y fabricantes de materiales que el plástico utilizado cumple los requisitos para su aplicación prevista.
Las magnitudes típicas según la norma ASTM D790 son:
- Módulo de flexión: El módulo de flexión es una medida de la rigidez del material e indica su capacidad para resistir cargas de flexión. La ASTM D790 ofrece tres métodos de cálculo del módulo de flexión, cada uno de los cuales determina diferentes valores:
- Módulo tangente (módulo de elasticidad)
Tangente, aplicada en el punto de pendiente máxima en la curva de tensión-deformación - Módulo secante
Pendiente entre el origen de coordenada y punto especificado de la curva de tensión-deformación - Módulo cuerda (chord modulus)
Pendiente entre dos puntos determinados en la curva de tensión-deformación
- Módulo tangente (módulo de elasticidad)
- Resistencia a la flexión: La resistencia a la flexión proporciona información sobre la carga máxima que el material puede soportar en flexión antes de romperse.
- Tensión o esfuerzo de flexión a una deformación por flexión determinada
- Esfuerzo de flexión y deformaciones por flexión en el punto de fluencia y en caso de rotura
El dispositivo de flexión de ZwickRoell permite realizar ensayos con fuerzas máximas de hasta 20 kN y una deflexión máxima de 36 mm. El calibre de distancia permite ajustar conforme a norma la distancia entre apoyos y los topes de probeta tanto para ISO 178 como para ASTM D790. Los apoyos pueden ajustarse tanto en distancia como en ángulo y permiten un centrado y una alineación precisos entre sí y con respecto al punzón de flexión. Los topes de probeta también se posicionan mediante el calibre de distancia. Esto permite posicionar las probetas de forma precisa y reproducible.
Tanto la norma ASTM como la norma ISO describen ensayos de flexión en plásticos. Sin embargo, difieren en el ámbito de aplicación, las geometrías de las probetas, la velocidad de ensayo y la evaluación del módulo. Por este motivo, los resultados no son directamente comparables.
La principal diferencia entre los métodos A y B según ASTM D790 radica en la velocidad de deformación y, por tanto, en la velocidad de ensayo, es decir, en la rapidez con la que se flexiona la probeta.
- El método A utiliza una velocidad de deformación menor y es el procedimiento estándar para la mayoría de los plásticos.
- El método B utiliza una velocidad de deformación mayor y se emplea cuando el método A requeriría demasiado tiempo para determinados materiales o cuando no se alcanza un valor de rotura o límite significativo dentro de las condiciones de ensayo previstas.
Métodos de ensayo según ASTM D790 y su influencia en la velocidad de ensayo:
- Para los materiales que se rompen con deformaciones pequeñas, se utiliza preferentemente una velocidad de deformación de 0,01 min-1 según el método A.
- Los materiales que no se rompen ni muestran un punto de fluencia hasta una deformación del 5% se ensayan utilizando el método B con una velocidad de deformación de 0,1 min-1, diez veces superior.
Para el usuario, esta especificación significa que la velocidad de ensayo que debe ajustarse en la máquina de ensayos deberá calcularse en función del espesor de la probeta y la distancia de apoyo, o de la relación entre la distancia de apoyo-espesor de probeta. Esta función puede guardarse cómodamente en el software de ensayo testXpert y, de este modo, automatizar la secuencia de cálculo.
Para la probeta estándar de 3,2 x 12,7 x 127 mm y una proporción de apoyo de 16, la velocidad de ensayo según ASTM D790 es de:
- Según método A: 1,4 mm/min
- Según método B: 13,7 mm/min
Los resultados de los ensayos de flexión según ISO 178 y ASTM D790 en plásticos suelen ser similares en magnitud, pero no son directamente comparables. Algunas razones son las diferentes velocidades de deformación en el ensayo de flexión, los diferentes métodos de cálculo del valor del módulo y las diferencias que pueden derivarse de la producción de las probetas de ensayo.
- El módulo de flexión describe la rigidez de un material ante cargas de flexión.
- La resistencia a flexión indica la carga máxima que puede soportar un material sometido a flexión antes de fallar.
El esfuerzo o tensión de flexión se calcula según ASTM D790 y en ISO 178 como la tensión de la fibra del borde de la probeta en el centro entre los soportes. La fórmula de cálculo que figura en la norma se basa en un caso de carga ideal. No se tienen en cuenta los errores de ángulo ni las fuerzas de fricción en los apoyos, resultantes de la desviación creciente de la probeta durante un ensayo de flexión. El cálculo sólo tiene suficiente precisión para ángulos de flexión pequeños.
Para el ensayo de plásticos según ASTM D790, se fabrican las probetas mediante moldeo por inyección o se extraen de láminas, planchas o piezas moldeadas mediante procesos de mecanizado.
- Para los compuestos de moldeo de plástico, se suelen utilizar probetas de ensayo con una sección transversal de 3,2 mm x 12,7 mm y una longitud de 127 mm, de acuerdo con la norma ASTM D790. La proporción de espesor-distancia entre apoyos especificada de 16 lleva a una distancia entre apoyos de 51 mm. Además, la norma define una serie de requisitos adicionales para las probetas con un espesor superior a 3,2 mm e inferior a 1,6 mm.
- Para el ensayo de plásticos termoendurecibles laminados y material en láminas para aislamiento eléctrico, puede ser necesario mecanizar las probetas hasta un espesor de 25,4 mm o 12,7 mm. Si la resistencia al cizallamiento es muy baja en comparación con la resistencia a la tracción, debe aumentarse la relación espesor-distancia entre apoyos hasta 32 o incluso 40 para evitar el fallo por cizallamiento.
- Los ensayos de materiales compuestos de fibras de alta resistencia se realizan en función de la relación entre la resistencia a la tracción y la resistencia al cizallamiento con una relación espesor-distancia entre apoyos de 16, 32 o 40. En el caso de materiales muy anisótropos, puede ser necesaria incluso una relación de 60 para determinar correctamente el módulo.
La medición de las dimensiones de probeta durante el ensayo de flexión requiere de una precaución especial. Como el espesor de probeta se introduce en el esfuerzo de flexión como un cálculo cuadrático, el error de medición también es una función cuadrática. Un error de medición de solo 0,1 mm con una altura de probeta nominal de 3,2 mm ya produce un error en la tensión de flexión de más del 5%. Por este motivo, el espesor de las probetas se mide con un micrómetro que cumpla los requisitos de la norma ASTM D5947.
Los errores de ángulo entre los apoyos, o entre apoyos y el punzón de flexión, provocan un contacto puntual entre la probeta y el útil de ensayo al inicio del ensayo. A medida que aumenta la carga, la probeta se deforma por torsión y se alcanza un apoyo lineal. Estas deformaciones iniciales se hacen visibles en el diagrama tensión-deformación como el denominado pie de curva, es decir, como un gradiente creciente en la zona inicial. Los valores del módulo secante y del módulo cuerda pueden verse influidos significativamente por ello, mientras que el módulo tangente según ASTM D790 es menos sensible a este efecto.
La indentación se produce en los puntos de apoyo y en la zona del punzón o los punzones de flexión, lo que depende de la dureza del material, la magnitud de la fuerza aplicada y el radio del pistón de flexión del apoyo. Si la deflexión se mide por el movimiento del punzón de flexión con respecto a los apoyos, esta indentación aumenta aparentemente la deflexión medida y, por lo general, no se puede compensar con una corrección de la rigidez. Mediante el uso de un transductor de desplazamiento colocado en el centro, se compensa la indentación del punzón de flexión.
Descargas de ASTM D790
- Información del producto: Dispositivos de flexión en 3 puntos PDF 246 KB
- Folleto sectores: Plástico y goma PDF 9 MB
- Información de producto: zwickiLine hasta Fmáx. 5 kN PDF 820 KB
- Información del producto: ProLine, Fmáx. 5-100 kN PDF 1 MB
- Información del producto: AllroundLine, Fmáx. 5-100 kN PDF 1 MB
- Información del producto: videoXtens 2-150 HP PDF 1 MB
- Información del producto: Extensómetro multiXtens II HP PDF 1 MB
- Información de producto extensómetro makroXtens PDF 637 KB
- Información del producto: Transductor de desplazamiento para ensayos de compresión y flexión PDF 1 MB
- Información del producto: Extensómetros clip-on PDF 525 KB
