GUÍA DE ENSAYO DE TENSIÓN DE METALES.docx

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1. TITULO ENSAYO DE TENSIÓN DE METALES. 2. OBJETIVO GENERAL. Interpretar y aplicar los datos del ensayo de tensión de metales en función de los conceptos adquiridos y las variables que implica dicha prueba, para la aplicación ingenieril de los mismos. 3. OBJETIVO ESPECÍFICOS. a) Conocer y aplicar las definiciones y métodos comúnmente utilizados y aprobados por la norma ASTM E8 para el ensayo de tensión de metales. b) Entender e interpretar el comportamiento de los materiales en la prueba de tensión de metales en función de los datos obtenidos. c) Conocer y aplicar los conceptos de las propiedades mecánicas que se usarán en el ensayo (Ductilidad, elasticidad, resistencia, fragilidad). d) Determinar en la gráfica obtenida los puntos más importantes que se relacionan con las propiedades mecánicas de los materiales. 4. MATERIALES Y EQUIPOS. Materiales  

Probetas de metal normalizadas según ASTM E8/E8M Marcador para metales

Equipos y herramientas     

Maquina universal de ensayos. SHIMADZU 600 kNI (Ensayos de comprensión, Tracción, flexión) Mordazas del a máquina universal de ensayos según el diámetro de la probeta. Computador con software TRAPEZIUM 2 (simulador) Calibradores Flexómetro o cinta métrica.

5. SEGURIDAD EN EL ENSAYO Revisar el manual de seguridad de la Maquina Universal De Ensayos.

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. 6. MARCO TEÓRICO. Uno de los pilares fundamentales para quienes trabajan en diseño mecánico y selección de materiales es la interpretación y aplicación correcta de las propiedades obtenidas del ensayo de tracción. Para la interpretación de las propiedades que se evalúan en los ensayos mecánicos, es importante tener claro los conceptos en relación a la propiedad en si misma, la forma de realización del ensayo y la influencia de los resultados en función de las variables. 6.1. Tensión. 

Se denomina tensión al esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto y tienden a estirarlo.



Un cuerpo se encuentra sometido a tensión simple cuando sobre sus secciones transversales se le aplican cargas normales uniformemente repartidas y de modo de tender a producir su alargamiento.

Figura 1: Probeta sometida a esfuerzo de tensión. 6.2. Ensayo de tensión. 6.2.1. Generalidades del ensayo de tensión. Los ensayos de tensión proporcionan información sobre los esfuerzos y la ductilidad de los materiales sometidos a cargas de tracción uniaxial, esta información es útil para selección de materiales, caracterización de nuevos materiales y control de calidad. Los detalles de la metodología del ensayo de tensión varían de acuerdo con la variedad de material existente, sin embargo, aunque se trate de diferentes tipos de materiales los parámetros generales para realizar la prueba son: 

Temperatura entre 10ºC y 35ºC.

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

Aplicación de la carga de forma graduada: Velocidad máxima de aplicación de carga. 100 000 psi/min (690 MPa/min) Velocidad mínima de aplicación de carga. 10 000 psi/min (70 MPa/min) Tabla 1. Velocidades graduadas según norma ASTM.

Este ensayo es utilizado para medir el Límite de fluencia (Limite de elasticidad, Elastic Limit, Yield Strenght), la Resistencia a la tensión (Esfuerzo máximo, Esfuerzo último, Strenght, Tensil Strenght), Rigidez (Modulo de elasticidad, Modulo de Young, Young´s Modulus), Ductilidad (Elongación, reducción de área) mediante la aplicación de una carga estática o aplicada lentamente a una probeta de sección circular o rectangular con dimensiones normalizadas según la norma ASTM E8/E8M.

Figura 2. Esquema de la maquina universal de ensayos, donde se representan las partes de la maquina y ubicación de la probeta. 6.2.2. Comportamiento de los distintos materiales en el ensayo de tensión. En la figura 3 se muestra las curvas de esfuerzo-deformación para un metal, un polímero termoplástico, un elastómero y un material cerámico.

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Figura 3. Grafica esfuerzo vs deformación para distintos materiales sometidos a tensión. 

Los materiales metálicos (a) y termoplásticos (b) muestran una región inicial elástica, seguida por una región plástica no lineal. Observe que la región plástica es mucho mayor para los termoplásticos.



Los elastómeros (como por ejemplo hules o siliconas) Presentan una gran zona elástica lineal (parte lineal) a bajos esfuerzos y no presenta zona plástica sino que llegan directamente a fractura.



Los cerámicos y los vidrios (d) solo muestran una pequeña región elástica lineal sin deformación plástica.

6.2.3.

Esfuerzo y deformación ingenieriles

Siempre que se convierta la carga aplicada, en esfuerzo, y la distancia entre marcas de calibración a deformación, se obtiene como resultado el esfuerzo y la deformación ingenieril. 6.3. Diagrama Esfuerzo (σ) Vs Deformación (ε) A continuación se presenta el diagrama de esfuerzo (σ) vs deformación (ε) para un material metálico y los esfuerzos que pueden ser obtenidos en la interpretación de la gráfica (4).

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Figura 4. Diagrama esfuerzo deformación y puntos críticos de la gráfica. Los datos arrojados en este ensayos son el modulo de elasticidad (Modulos of elasticity E) la resistencia a la fluencia (Yield Strenght σF) la resistencia ultima o a la tracción (Tensil Strenght σT) y el punto de rotura (Break Strengh σB). Los dos primeros datos se relacionan como parámetro de diseño, el tercero como parámetro de calidad en el proceso de fabricación y el último es una medida adicional de caracterización del material. 6.3.1. Limite de fluencia (Yield Strenght σF) Es el momento en que el comportamiento a deformación de la pieza, debido a la carga que se le esta aplicando, se trasforma de elástico a plástico o permanente, es decir que antes de este punto si se suprime la fuerza ejercida, la probeta retornará a su longitud inicial. En algunos materiales metálicos, al comenzar la deformación plástica, el valor del esfuerzo disminuye desde un valor superior (σ2) a uno inferior (σ1). Inmediatamente después, el

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esfuerzo empieza a crecer nuevamente, entrando a la región de deformación plástica

Figura 5. Esfuerzo de cedencia superior e inferior. Para evitar problemas de interpretación, ASTM recomienda trazar una recta paralela a la del comportamiento elástico, que inicie en el eje de las deformaciones unitarias con una deformación de 0.002 o 0.2%. El punto de cruce o intersección de esa recta con la curva esfuerzo Vs deformación, definirá el esfuerzo teórico de fluencia del material. 6.3.2. Módulo de Elasticidad (Modulos of elasticity E). La pendiente de la parte lineal de la gráfica esfuerzo Vs deformación representa la propiedad conocida como rigidez o Modulo de Elasticidad (E) en (lb/pulg2 - psi) o (N/mm2 – Pa) y se calcula mediante la siguiente fórmula:

E= σ/ε Donde:   

= Es el módulo de elasticidad longitudinal. = Es el esfuerzo ejercido sobre el área de sección transversal del objeto. ε = Es la deformación unitaria en cualquier punto de la barra.

Esta propiedad se caracteriza por su utilidad a la hora de realizar la selección de un material debido a que su importancia a la hora del diseño. 6.3.3. Zona Elástica. Es la zona donde se establece una relación lineal o cuasi lineal entre los esfuerzos y las

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deformaciones unitarias. 6.3.4. Zona Plástica. Se encuentra limitada por el límite de fluencia del material y la falla del mismo; en esta zona las deformaciones presentadas en la muestra serán permanentes y se varían abruptamente las propiedades del material. 6.3.5. Ductilidad. La ductilidad es el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Se calcula por las siguientes formulas: 

Deformación Є = ∆L/Li

Donde:   

Li =Longitud calibrada inicial de la probeta (entre marcas). Lf= Longitud calibrada final de la probeta después de fractura (entre marcas). ∆L = Lf – Li.



Reducción de Área A= ∆A/Ai

Donde:   

Ai= Área inicial de la probeta (entre marcas) Af =Área final de la probeta, donde ocurre la fractura (entre marcas) ∆A = Ai – Af

6.4. Características y especificaciones de la probeta de ensayo. Según la norma ASTM E8/E8M la probeta que se use para la prueba puede ser cilíndrica o rectangular (Figura 6 y 7) y sus medidas pueden ser encontradas en la norma. En este laboratorio se usarán probetas cilíndricas de las siguientes dimensiones normalizadas:

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6.4.1. Probetas de sección transversal rectangular.

Figura 6. Probeta de sección rectangular. 6.4.2. Probetas de sección transversal circular.

Figura 7 Probeta sección circular. 6.4.3. Dimensiones de la probeta a ensayar. Para este ensayo se usaran probetas de sección circular con especificaciones ASTM E8. Dimensiones Mm (in) D

12.5 ± 0.2 (0.500 ± 0.010)

G (Li)

50 ± 0.1 (2.000 ± 0.005)

R

10 (0.375)

A

56 (2.25)

Tabla 2. Dimensiones de la probeta a usar (Probeta estándar).

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6.5. Tipos de fracturas en las probetas. Tipo de fractura

Visualización

Fractura Dúctil: Ocurre bajo una intensa deformación plástica. La fractura dúctil comienza con la formación de un cuello y la formación de cavidades. Luego las cavidades se fusionan en una grieta en el centro de la muestra y se propaga hacia la superficie en dirección perpendicular a la tensión aplicada. Cuando se acerca a la superficie, la grieta cambia su dirección a 45° con respecto al eje de Figura 8. Mecanismo de fractura dúctil y tensión y resulta una fractura de cono y ejemplo fotográfico. embudo. En este tipo de falla se apreciara en las caras de la fractura un color opaco y una estructura granular.

Fractura Frágil: La fractura frágil tiene lugar sin una apreciable deformación y debido a la rápida propagación de una grieta. La mayoría de las fracturas frágiles se propagan a través de los granos (transgranular). Las bajas temperaturas y las altas deformaciones favorecen la fractura Figura 9. Tipos de fractura frágil. frágil. En este tipo de falla se apreciara las caras brillantes y fracturas cortantes. Tabla 3. Tipos de fallas . 7. MAQUINA UNIVERSAL DE ENSAYOS. Para este ensayo se usara la Maquina Universal SHIMADZU 600kNI, que cuenta con las siguientes partes principales:

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Figura 8. Maquina Universal SHIMADZU 600kNI, principales partes. 1) Cabezal fijo, o mesa: La cual ejerce la carga que se realice ya sea tensión, compresión o flexión. 2) Espacio para la ubicación de las probetas para la prueba de tensión 3) Cabezal móvil o mordaza móvil. 4) Espacio para la ubicación de las probetas para la prueba de compresión y flexión. 8.

PROCEDIMIENTO.

1. Verificación de las dimensiones de la probeta: Verificar las dimensiones de las probetas a utilizar en la prueba, con ayuda de un calibrador Vernier. 2. Marcado y mediciones de la probeta: Realizar una marca con un marcador para metales, que indique el lugar donde se realiza las mediciones del diámetro y la longitud al empezar el ensayo y una vez la probeta halla fallado.

Figura 9. Puntos de marcaje de la probeta. 3. Estas marcas no deben realizarse mecánicamente ya que puede producir concentradores de esfuerzos. Las marcas se realizan en una de sus venas longitudinales o en la superficie de la barra entre resaltes, nunca deben ser colocadas en un resalte transversal.

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4. Montaje de la probeta en la máquina de ensayos: La distancia entre marcas debe quedar en la parte central entre las dos mordazas. La fractura de la barra debe ocurrir dentro del tercio central de la distancia entre marcas, de no ser así el ensayo es inválido. 5. Ajuste de mordazas: Es importante recordar que es necesario que las mordazas se deben ajustar convenientemente con las manos, para cuando se lleve la probeta entre perfectamente y luego, se ajustan bien, manualmente. Hay que asegurarse que la probeta esta alineada, puede realizarse por medio de un nivel, o por una regla de 90° de Angulo. 6. Precarga: aplica una pequeña carga momentánea del orden del 5% al 10% de la resistencia a la fluencia de la barra, que luego se retira sin descargar del todo la máquina, con el fin de garantizar que las mordazas y las demás partes móviles han quedado apropiadamente ajustadas, luego se envían los parámetros de la maquina a ZERO. 7. Registro de la temperatura: Medir la temperatura ambiente con precisión de 0,5°C. Algunas normas ponen restricciones en la temperatura ambiente mínima a la que puede realizarse el ensayo. La razón de esto es la mayor fragilidad de algunos metales a medida que la temperatura disminuye. 8. Velocidad de carga: La velocidad con que se aplique la carga a la probeta tiene un marcado efecto en los resultados de resistencia obtenidos. Una aplicación de carga muy rápida, o muy lenta, puede afectar la medición. Esta es la razón por la cual las normas especifican rangos de velocidad de aplicación de la carga. La Maquina Universal SHIMADZU 600kNI cuenta con un sensor para programar la velocidad de carga, entre los puntos críticos de la grafica esfuerzo Vs. Deformación. Velocidad máxima de aplicación de carga. 100 000 psi/min (690 MPa/min) 10 00 psi/min (70 MPa/min) Velocidad mínima de aplicación de carga. Tabla 4. Rango de velocidades de aplicación de carga. 9. Verificar que el ensayo es aceptable: La falla debe haber ocurrido en el tercio central de la distancia entre marcas. Si la falla no ocurre allí este ensayo se considera nulo y debe repetirse. 10. Mediciones finales de la probeta: Se realiza las mediciones de longitud final y el diámetro final en la zona de falla y usando las marcas realizadas. La longitud final se obtiene uniendo los dos segmentos de la probeta de la mejor manera posible.

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9. CÁLCULOS. Esfuerzo = σ = F/A  

F=carga aplicada. A= área transversal de la probeta.

Ductilidad = La ductilidad se representa por los porcentajes de elongación ó de reducción de área. Deformación =

ε = ∆L/Li Donde:  Li =Longitud calibrada inicial de la probeta (entre marcas).  Lf= Longitud calibrada final de la probeta después de fractura (entre marcas).  ∆L = Lf – Li. Porcentaje de deformación de la longitud calibrada (L%) = 𝐿% = |

𝐿𝑓 − 𝐿𝑖 ∗ 100| 𝐿𝑓

Reducción de Área = A= ∆A/Ai Donde:  Ai= Área inicial de la probeta (entre marcas)  Af =Área final de la probeta, donde ocurre la fractura (entre marcas)  ∆A = Ai – Af Porcentaje de reducción de área (%A) = %A=

𝐴𝑖−𝐴𝑓 𝐴𝑖

∗ 100

Modulo de Elasticidad =

E= σ/ε

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Donde:   

= Es el módulo de elasticidad longitudinal. = Es la presión ejercida sobre el área de sección transversal del objeto. ε = Es la deformación unitaria en cualquier punto de la barra.

10. LISTA DE VERIFICACIÓN (CHECK LIST). LABORATORIO DE MATERIALES DE INGENIERÍA, ENSAYO DE TENSIÓN DE METALES. CHECK LIST.

Procedimiento Verificación de las dimensiones de la probeta. Marcado y mediciones de la probeta. Montaje de la probeta en la máquina de ensayos. Ajuste de mordazas. Registro de la temperatura. Velocidad de carga. Verificar que el ensayo es aceptable. Mediciones finales de la probeta. Tabla 5. Lista de verificación (Check list).

Completo.

Incompleto.

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11. DATOS A REGISTRAR. Con los datos obtenidos en el procedimiento, complete la Tabla; utilice las unidades apropiadas: LABORATORIO DE MATERIALES DE INGENIERÍA, ENSAYO DE TENSIÓN DE METALES. DATOS A REGISTRAR. Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3 Diámetro de longitud de agarre Longitud de agarre (mordazas) Deformación % de deformación Reducción de área. % de reducción de área Esfuerzo de fluencia. Esfuerzo máximo. Modulo de elasticidad Tabla 6. Resultados del Ensayo de Tracción. LABORATORIO DE MATERIALES DE INGENIERÍA, ENSAYO DE TENSIÓN DE METALES. TIPO DE FALLAS. Tipo de falla

Grafico de la falla (representación).

Tabla 7. Representación del tipo de falla ocurrida.

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12. CÁLCULOS Y ANÁLISIS. 1. 2. 3. 4. 5.

Hacer el diagrama esfuerzo deformación con todos sus puntos. Calcular ductilidad (Elongación y reducción de área). Calcular el modulo de elasticidad. Analizar el tipo de falla ocurrida. Brindar el mayor número de características o propiedades del material para decir cual fue el material ensayado (para cada probeta ensayada).

Se debe realizar un informe científico (6 hojas máximo) con todo lo consignado en el laboratorio. Nota: Se entregaran los valores reportados por la maquina universal de ensayos en dos archivos (Pdf. Txt) para que realicen la gráfica correspondiente. Por favor traer una memoria USB. 13. PROBLEMA EJEMPLO. El diagrama esfuerzo vs deformación de la Figura 10 corresponde a una barra de metal de 400 mm de longitud (Li) y 25 mm2 de área de sección transversal (Ai), calcule:

Figura 10. Diagrama esfuerzo Vs deformación. 

El módulo de elasticidad del material en GPa. Para determinarlo se toma un el punto dentro de la fase lineal de la grafica, P (4,5*10-4 mm, 90 GPa) y el punto (0,0) y hacemos es calculo de la pendiente.

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𝐸= 

∆𝜎 90 ; 𝐸= 𝑀𝑃𝑎 = 200 𝐺𝑃𝑎 ∆𝜀 4.5 ∗ 10−4

La longitud de la barra en mm, al aplicar en sus extremos una fuerza de 115 kN Para este cálculo, se obtiene el esfuerzo en ese punto (115 kN), con el área de sección transversal, luego se calcula la deformación unitaria y con esta se obtienen la longitud en ese punto. 𝐹 115 ∗ 103 𝜎= ; 𝜎= 𝑃𝑎 = 4.6 𝐺𝑃𝑎 𝐴 25 ∗ 10−4 𝜀= 𝜀=

𝜎 4.6 𝐺𝑃𝑎 ; 𝜀= = 0.023 𝐸 200 𝐺𝑃𝑎

𝐿𝑝 − 𝐿𝑖 ; 𝐿𝑝 − 𝐿𝑜 = 𝜀 ∗ 𝐿𝑜 = 0.023 ∗ 400𝑚𝑚; 𝐿𝑖 𝐿 = 𝐿𝑜 + 9.2𝑚𝑚 = 409.2 𝑚𝑚



La carga máxima que resiste la barra en kN. Esta se puede ver en la grafica 10. Se tiene en cuenta la Esfuerzo máximo de tensión y el área de sección transversal. 𝜎𝑇 =



𝐹𝑇 ; 𝐹𝑇 = (260 ∗ 106 ) ∗ (25 ∗ 10−6 )𝑁 = 6.5𝑘𝑁 𝐴

Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en los ensayos con las probetas de metal, para diseñar un eje que estará expuesto a esfuerzos pequeños pero uno de los requerimientos es que sea de bajo costo, cual metal recomienda como ingeniero en formación.

14. GLOSARIO. Limite de proporcionalidad: Es el esfuerzo máximo en que el esfuerzo y la deformación permanecen directamente proporcionales. El límite de proporcionalidad es el punto de la primera inflexión de la línea recta de la curva Esfuerzo Vs Deformación. El valor obtenido para el límite de proporcionalidad depende de la precisión de las mediciones de esfuerzo y linealidad y de la escala de la grafica. Este valor no tiene gran aplicación en los cálculos de ingeniería. Límite elástico convencional: (Yield Strenght): El esfuerzo por conveniencia, al cual se considera que empieza la deformación plastica. Este esfuerzo puede especificarse en términos de (a) Una desviación específica de una relación lineal Esfuerzo-Deformación (b) Una extensión total específica o (c) un esfuerzo máximo o un mínimo medido durante una

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fluencia discontinua. Resistencia a la tracción: (Tensil Strenght) El máximo esfuerzo de tensión al cual el material es capaz de soportar en la prueba tensión-deformación en una probeta llevada a fractura. Punto de cedencia: Es una propiedad que tienen los aceros blandos no endurecidos y algunas otras aleaciones. Es una indicación del límite de la acción elástica. El punto de cedencia es un esfuerzo en el que se produce primero un aumento notable de deformación, sin que haya un aumento de esfuerzo. Por lo general hay dos puntos de cedencia, uno superior y el otro inferior. En general, los materiales que presentan este comportamiento tienen una fluencia discontinua. Fluencia discontinua: (Discontinuous yieding) Fluctuación de la fuerzo observada al inicio de la deformación plástica debido a una deformación localizada. No necesariamente aparece como una línea discontinua. Esfuerzo de fluencia superior: (Upper yield strenght) El primer esfuerzo máximo (primer esfuerzo con pendiente igual a cero) asociado con una fluencia discontinua. Elongación del punto de fluencia: La deformación (expresada en porcentaje) medida desde el primer punto de pendiente cero en la grafica esfuerzo deformación hasta el esfuerzo de endurecimiento uniforme. Cubre todo los puntos de deformación discontinua. Aspecto de fractura: Depende de la composición y el historial de la muestra (tratamientos mecánicos o térmicos). Los metales y las aleaciones dúctiles y aceros templados de bajo contenido de carbono sufren fractura de copa o fractura parcial de copa. En materiales duros o aceros de alto contenido de carbono y endurecidos por tratamientos térmicos tienden a producir una fractura tipo estrella. El hierro fundido, que carece de ductilidad no produce ensanchamiento en forma de cuello de botella y tiene una superficie de fractura que tiende a forma un plano en ángulos rectos a la dirección de la carga. Aplicación de carga y mediciones: Las cargas se aplican ya sea mecánica o hidráulicamente, se prefiere la última debido a sus capacidades mayores y bajos costos. Las cargas son realizadas por la Maquina Universal de Ensayos, se conoce así debido a que puede adaptarse para realizar adicionalmente ensayos de compresión, curvatura y flexión. En el caso de las hidráulicas, la carga se aplica mediante una bomba hidráulica que hace pasar el aceite a presión en un cilindro que eleva el pistón y este a su vez este eleva el cabezal móvil de tensión y la mesa. La muestra se ajusta con mordazas de diferentes tamaños según la forma de la probeta, que están ubicadas en el cabezal móvil y el cabezal fijo. El desplazamiento, la carga o la velocidad de la maquina se fijan inicialmente en el sistema, el cual le suministra los datos al encoder que controla dichos parámetros

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accionando válvulas de aproximación y precisión en el interior del equipo. Es necesaria una alineación correcta de la probeta para asegurar que la muestra solo esta sometida a cargas axiales y uniformes sobre la probeta. Mediciones de la deformación: La deformación se puede medir de forma mecánica, eléctrica, electromecánica u óptica. En este experimento se utiliza la forma mecánica basado en el troqué de los tornillos sin fin. La deformación es definida como el cambio en la longitud por unidad de longitud. Esta medida se calibra en el sistema y se reporta digitalmente. Adicionalmente se utilizan extensómetros, que son regletas de precisión que se adaptan directamente a la probeta. Resilencia: Es la energía absorbida en la zona elástica del material.