Pruebas de flexión en 3 y 4 puntos: Comparativa de métodos y aplicaciones en la evaluación de materiales

Introducción

Las pruebas de flexión son necesarias para evaluar las propiedades mecánicas de la materia, permitiendo conocer su resistencia y deformabilidad bajo cargas aplicadas. Dentro de estas, las pruebas de flexión en 3 puntos y 4 puntos son ampliamente utilizadas en la industria y la investigación científica. En este artículo, se describen los fundamentos de estas pruebas, sus diferencias y sus aplicaciones prácticas.

Fundamentos de las pruebas de flexión

Las pruebas de flexión consisten en aplicar una carga progresiva sobre una probeta apoyada en dos puntos hasta alcanzar su deformación o fractura. Se utiliza para evaluar la resistencia mecánica de un material bajo esfuerzos de flexión y permiten determinar diversas propiedades como:

• Módulo de flexión (Ef​): Indica la rigidez del material frente a esfuerzos de flexión y se define como la relación entre el esfuerzo y la deformación en la fase elástica. Se calcula con la ecuación:

Donde:

• L = Distancia entre los apoyos (mm o m)
• F = Carga aplicada (N)
• b = Ancho de la probeta (mm o m)
• d = Altura o espesor de la probeta (mm o m)
• δ = Deflexión en el centro de la probeta (mm o m)
• Deformación por flexión (εf​): Es el cambio dimensional relativo de la probeta bajo carga y se calcula como:

Donde δ es la deflexión máxima en el centro de la probeta.

• Momento flector (M): Representa la tendencia de una fuerza aplicada a inducir una rotación alrededor de un punto fijo en la probeta y se calcula con:

En una prueba de flexión en tres puntos.

• Comportamiento elástico y plástico: Se refiere a la respuesta del material antes y después de superar su límite elástico. Durante la fase elástica, la deformación es reversible y sigue la ley de Hooke (σ=Eε). En la fase plástica, el material experimenta deformaciones permanentes hasta la fractura. 

• Fractura por flexión: Es el modo en que el material se rompe bajo carga de flexión. Puede presentarse como una fractura frágil (sin deformación plástica significativa) o dúctil (con deformación previa a la rotura).

Estas propiedades se determinan utilizando principios de la mecánica clásica y permiten evaluar el desempeño de materiales en aplicaciones estructurales y de ingeniería.

Comparación entre las pruebas de flexión en 3 y 4 puntos

Aunque ambas técnicas siguen un principio similar, presentan diferencias en la distribución de esfuerzos, la precisión en la medición de propiedades mecánicas y la representatividad de los resultados. Mientras que la prueba de flexión en 3 puntos genera una concentración de esfuerzos en un punto específico, la prueba de flexión 4 puntos distribuye la carga de manera más uniforme, proporcionando información más detallada sobre la ductilidad y el módulo de elasticidad del material. La selección entre ambas pruebas depende del tipo de material y del objetivo del análisis, siendo fundamental conocer sus ventajas y desventajas para una aplicación adecuada.

• Diferencias en la distribución de esfuerzos: La principal diferencia entre ambas pruebas radica en la forma en que se distribuye la carga y el momento flector:
• Prueba de flexión en 3 puntos: La carga se aplica en un único punto central de la probeta, generando un momento flector máximo en esa zona; lo cual, genera una alta concentración de tensiones, facilitando la identificación del inicio de la fractura. Es ideal analizar las propiedades mecánicas de los materiales homogéneos y frágiles como plásticos y cerámicos.

El siguiente video presenta informacion sobre Ensayo de flexión en 3 puntos con ZwickRoell.

• Prueba de flexión en 4 puntos: La carga se distribuye en dos puntos equidistantes del centro de la probeta, lo que genera una zona de carga constante entre ambos puntos de aplicación de la fuerza. Esto permite una distribución uniforme del momento flector, reduciendo la concentración de tensiones y proporcionando una evaluación más precisa del módulo de elasticidad y la ductilidad del material. Es utilizada para materiales compuestos y estructuras anisotrópicas como madera o polímeros reforzados.

• Ventajas y desventajas de casos de ensayo: Cada tipo de prueba presenta ventajas y desventajas según el contexto de aplicación:
• Ventajas del ensayo de 3 puntos: Mayor simplicidad en la ejecución, menor requerimiento de equipamiento y adecuada para materiales homogéneos.
• Desventajas del ensayo de 3 puntos: Alta concentración de tensiones en el punto central, lo que puede generar fallos localizados y afectar la representatividad de los resultados en materiales anisotrópicos o con microdefectos internos.
• Ventajas del ensayo de 4 puntos Ventajas: Representación más realista de la respuesta del material bajo cargas reales, menor concentración de esfuerzos, permitiendo evaluar mejor el módulo de elasticidad y la ductilidad del material.
• Desventajas del ensayo de 4 puntos: Mayor complejidad en la preparación y ejecución, requiere equipamiento más avanzado y mediciones adicionales con dispositivos como deflectómetros.

Criterios para seleccionar el tipo de prueba

La elección entre una prueba de flexión en 3 o 4 puntos depende de factores como la naturaleza del material, el tipo de análisis requerido y la disponibilidad de equipamiento.

Se recomienda la prueba de flexión en 3 puntos cuando se evalúan materiales homogéneos, frágiles o de baja ductilidad, ya que la carga concentrada permite identificar rápidamente su resistencia a la flexión y el punto de fractura.

La prueba de flexión en 4 puntos es preferida para materiales anisotrópicos, compuestos o estructuras que requieran un análisis más detallado del comportamiento elástico y plástico, debido a la distribución uniforme del momento flector.

Aplicaciones de los ensayos de flexión en la evaluación de materiales

Estas pruebas se aplican para caracterizar el comportamiento mecánico de diversos materiales bajo esfuerzos de carga entre los cuales tenemos:

Materiales metálicos: Estos ensayos permiten evaluar las propiedades mecánicas de los matales como ductilidad, resistencia mecánica y tenacidad. Se utilizan en la validación de aleaciones estructurales y componentes sometidos a esfuerzos cíclicos o flexionantes, como vigas, resortes, equipos y tuberías, entre otros.  Los ensayos recomendados son:

• Flexión en tres puntos para determinar la resistencia última y la deformación antes de la fractura.
• Flexión en cuatro puntos para evaluar el comportamiento en condiciones de carga distribuida, como en estructuras de soporte y laminados metálicos.

Materiales poliméricos: En plásticos y materiales compuestos, las pruebas de flexión permiten determinar el módulo de elasticidad, la resistencia a la fractura y el comportamiento mecánico a largo plazo. Ensayo recomendado:

• Flexión en tres puntos para polímeros rígidos, proporcionando un método eficiente para medir el módulo de flexión.
• Flexión en cuatro puntos para evaluar materiales flexibles y compuestos reforzados con fibras, donde la distribución de carga evita concentraciones excesivas de tensión.

Cerámicas y vidrios: Estos materiales presentan alta resistencia a la compresión, pero son frágiles bajo esfuerzos de tracción. Los ensayos de flexión permiten determinar su resistencia mecánica y su capacidad para soportar cargas sin fallar de manera súbita. Ensayo recomendado:

• Flexión en tres puntos, ya que concentra la tensión en un punto específico y permite identificar de manera precisa el límite de fractura.
• En casos donde se necesita evaluar la distribución uniforme del esfuerzo en un área más amplia, se puede emplear flexión en cuatro puntos, aunque es menos común en cerámicas.

Materiales compuestos: Los materiales compuestos, como los utilizados en aplicaciones aeroespaciales y automotrices, requieren pruebas de flexión para analizar la interacción entre la matriz y el refuerzo. Estas pruebas ayudan a optimizar su diseño y asegurar su fiabilidad en condiciones reales de uso. Ensayo recomendado:

• Flexión en cuatro puntos, ya que proporciona una evaluación más precisa del comportamiento del material sin generar concentraciones de esfuerzo excesivas. Es crucial para analizar delaminación y fractura en laminados.
• Flexión en tres puntos se utiliza en estudios iniciales o cuando se requiere una prueba rápida de resistencia mecánica.

Consideraciones normativas y estándares

Las pruebas de flexión están reguladas por diversas normas internacionales, entre ellas:

• ASTM E290: Métodos de prueba estándar para materiales metálicos mediante flexión.
• ISO 7438: Regula las pruebas de flexión en metales para evaluar su ductilidad y resistencia.
• ASTM D790: Métodos de prueba para propiedades de flexión en plásticos reforzados y no reforzados.
• ISO 178: Ensayos de flexión para plásticos rígidos. Define los procedimientos para la determinación de las propiedades de módulo de flexión en plásticos y resistencia mecánica.
• ASTM C1161: Métodos de prueba para resistencia a la flexión de materiales cerámicos avanzados.
• ISO 14704: Ensayos de flexión en cerámicas avanzadas.
• ASTM D7264: Métodos de prueba para propiedades de flexión en materiales compuestos reforzados con fibras.
• ISO 14125: Ensayos de flexión para plásticos reforzados con fibras.

Paso a paso para realizar una prueba de flexión en 3 y 4 puntos

Para garantizar resultados precisos y reproducibles, se recomienda seguir un procedimiento estandarizado que abarque desde la preparación de la probeta hasta la interpretación de los resultados. A continuación, se detalla el paso a paso de este proceso.

• Preparación de la probeta: Antes de realizar la prueba, es fundamental asegurar que la probeta cumple con los requisitos normativos y estructurales necesarios:
• Selección del material: Determinar el tipo de material a evaluar de acuerdo con las normas aplicables (ISO 178, ASTM D790 u otras)
• Verificación de dimensiones: Asegurar que la probeta tenga las dimensiones especificadas en la norma correspondiente.
• Inspección visual: Comprobar que la superficie de la probeta esté libre de defectos visibles que puedan afectar los resultados.
• Configuración del equipo de prueba: El equipo utilizado para realizar las pruebas de flexión es una máquina de ensayos universales equipada con accesorios específicos para cada tipo de ensayo. Su correcta configuración es clave para obtener mediciones confiables. 

Sus componentes principales son:

• Máquina de ensayos universales: Aplica la carga de manera controlada en la probeta.
• Dispositivo de soporte: Formado por dos apoyos ajustables que determinan la distancia entre apoyos según la longitud de la muestra.
• Dispositivo de aplicación de carga: En la prueba de flexión en 3 puntos, se aplica una carga única en el centro de la probeta. En la prueba de flexión en 4 puntos, la carga se distribuye en dos puntos equidistantes.
• Célula de carga: Mide con precisión la fuerza aplicada.
• Extensómetro o sensor de deformación: Registra la deformación de la probeta para calcular su módulo de flexión.
• Software de adquisición de datos: Recopila la información sobre la carga, desplazamiento y deformación para generar curvas de esfuerzo-deformación.
• Ajustes del equipo antes de la prueba: Colocar los soportes en la máquina de ensayo con la separación adecuada. Ajustar la distancia entre apoyos de acuerdo con la longitud de la probeta. Instalar el dispositivo de aplicación de carga, ya sea de un solo punto (flexión en 3 puntos) o doble (flexión en 4 puntos).
• Aplicación de la carga: Con la probeta correctamente posicionada sobre los apoyos, se inicia la prueba de flexión. Aplicar la carga de forma controlada, garantizando una velocidad constante según lo establecido en la norma.

Registrar la evolución de la carga y la deformación a medida que la probeta se flexiona.

• Medición y análisis de resultados: Durante la prueba, se monitorean y registran las variables clave para evaluar el comportamiento del material.
• Fuerza máxima aplicada: Se determina el punto en el que la probeta alcanza su límite de resistencia.
• Deformación por flexión: Se mide la curvatura sufrida por la probeta bajo carga.
• Cálculo: Se calcula el módulo de flexión y momento flector, utilizando los datos de fuerza aplicada y desplazamiento.
• Identificar comportamiento del material: Elástico, plástico o fractura por flexión.
• Interpretación y reporte de resultados: Una vez finalizada la prueba, los datos obtenidos se analizan y comparan con los valores estándar del material evaluado.
• Comparación: Realizar comparación de los resultados con los valores de referencia para determinar si el material cumple con los requisitos mecánicos.
• Generar un informe técnico: Este informe debe incluir gráficos de carga vs. deformación y conclusiones sobre el desempeño del material.

Conclusiones

Las pruebas de flexión en 3 y 4 puntos son herramientas fundamentales para evaluar la resistencia y deformabilidad de los materiales bajo cargas aplicadas. Mientras que la prueba de flexión en 3 puntos es más sencilla y adecuada para materiales homogéneos y frágiles, la de 4 puntos ofrece una evaluación más precisa de la ductilidad y el módulo de elasticidad, especialmente en materiales anisotrópicos y compuestos. La elección entre ambos métodos depende de la naturaleza del material, el tipo de análisis requerido y la disponibilidad de equipamiento.

Estas pruebas tienen aplicaciones en una amplia gama de industrias, incluyendo la metalurgia, los polímeros, la cerámica y los materiales compuestos, con normativas internacionales que regulan su ejecución. Su correcta selección y aplicación permiten optimizar el diseño y la fiabilidad de los materiales en diversas estructuras y componentes industriales.

Referencias

1. https://www.zwickroell.com/es/sectores/papel-carton-y-papel-tisu/carton-corrugado-y-carton-compacto/ensayo-de-flexion-en-3-puntos/