UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERIA INDUSTRIAL TECNOLOGIA INDUSTRIAL II
Tema: Ensayo a Tensión en Acero de medio contenido de carbono (SAE 1045)
Instructores: Ing. Rafael Arturo Rodríguez Córdova Ing. Adalberto Benítez Alemán Ing. Joel López Cortéz
Estudiantes: Alvaro Humberto Hernández Roque Roque
HR11008
Melissa Lissette Peña Muñoz
PM11014
Juan Pablo Umaña Escalante
UE11001
Carlos Armando Zelaya Cano
ZC11001
Grupo de laboratorio: 02
Ciudad Universitaria - 19 / abril / 2013
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Índice
Página Introducción……………………………………………………………
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Objetivos…………………………………………………...................
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Ensayo a tensión (generalidades)…………………………………..
5
Material utilizado (especificaciones)………………………………… (especificaciones)…………………………………
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Instru Instrumen mentos tos y equipo equipo……… ……………… ……………… ………... ...... ....... ........ ........ ....... ....... ....... ....... ........ ....
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Equipo misceláneo…………………………………………………….. 11 Pasos del ensayo……………………………………………………… 12 Tabla de datos y cálculos……………………………………………... 15 Gráficas…………………………………………………………………. 17 Análisis de resultados ………………………………………………… ………………………………………………… 19 Conclusiones…………………………………………………………… 20 Recomendaciones…………………………………………………….. 22 Bibliografía……………………………………………………………… 23 Distribución……………………………………………………………… 24 Anexos………………………………………………………………….. 25
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Introducción El sigu siguie ient nte e repo report rte e es esta ta diri dirigi gido do a la cá cáte tedr dra a de la es escu cuel ela a de Inge Ingeni nier ería ía Indu Indust stri rial al de la Univ Univer ersi sida dad d de El Salv Salvad ador or.. Este Este es el resultado de una investigación bibliográfica realizada por estudiantes que cursan la materia de Tecnología Industrial II del año 2013. El reporte consiste en una descripción detallada de los aceros de medio contenido de carbono, cuya norma es SAE 1045 (no se pudo obtener el ma mate teri rial al es espe peci cifi fica cado do para para el grup grupo, o, que que era era SAE SAE 1040 1040,, no obstante, este otro material posee características muy similares), y de un ensayo a tensión que se realizara con este material en futuras evaluaciones. Es de suma importancia conocer previamente los pasos a seguir para cualquier proyecto, trabajo, en nuestro caso un ensayo a tensión. Es de muchos conocido que antes de llevar a cabo cierta acción, es preciso y pertinente conocer teóricamente lo que se hará, la teoría es previa a la práctica, uno aprende haciendo, pero no se trata simplemente de realizar una acción, se trata de realizar una acción con una guía que seguir, con un propósito, con una metod metodolo ología gía,, la cual cual está está diseña diseñada da para para adquir adquirir ir de manera manera más concreta ciertos conocimientos. Prim Primer ero o se encu encuen entr tra a la info inform rmac ació ión n es espe pecí cífi fica ca de los los ac acer eros os de medio contenido de carbono, se mencionan sus normas así como sus características distintivas y propiedades. En la segunda sección del reporte se encuentra los resultados de la realización del ensayo de tensión en aceros, se inicia describiendo en que consiste el ensayo y de su importancia para la industria. A continuación encontrara la descripción detallada de la realización del ensayo; cada uno de los pasos realizados y la toma de medidas. Luego se presentan las tablas con co n los los resu result ltad ados os obte obteni nido dos, s, as asíí co como mo las las graf grafic icas as de ca carg rgaadeformación y esfuerzo-deformación y los análisis realizados a partir de estos. Una vez realizado los cálculos, se tiene la interpretación de datos y las conclusiones finales de los miembros del equipo, para conc co nclu luir ir se brin brinda dan n unas unas poca pocass reco recome mend ndac acio ione ness para para futu futuro ross ensayos. Al final del reporte se encuentra anexándola la norma del ensayo ( A370 A370 E8) en la cual se encuentra los pasos normalizados para un ensayo de tensión en metales. Las es Las espe peci cifi fica caci cion ones es,, ca cara ract cter erís ísti tica cas, s, norm normas as y apli aplica caci cion ones es del del material, el equipo a utilizar, el proceso lógico y normado a seguir para obtener los resultados deseados, esto entre otras cosas, son de suma suma impo import rtan anci cia a co cono noce cer, r, revi revisa sar, r, anal analiz izar ar y ente entend nder er para para un optimo desarrollo, en nuestro caso, un ensayo a tensión de cierto material, SAE 1045, Acero con medio contenido de carbono, así que esperamos que la presente guía le sea de utilidad en la realización de la practica del ensayo de tracción.
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Objetivo:
Desarrollar un ensayo de tracción sobre una varilla de acero de medio contenido de carbono, obteniendo una grafica de esfuerzodeformación, y con los datos calcular las propiedades mecánicas del material. Objetivos específicos: •
•
Recolectar información acerca de los aceros de medio contenido de carbono (SAE 1045), obteniendo los valores normalizados de sus propiedades mecánicas encontradas en tablas, obtenidas a través de fuentes bibliograficas confiables. Comparar las propiedades mecánicas del material en estudios calculados a partir de los datos experimentales obtenidos durante el ensayo, con los datos teóricos encontrados en tablas.
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Ensayo de tensión En esta sección se hablara de lo que es el ensayo a tensión al cual será sometido el material en estudio. Se dará una breve introducción teórica de lo que es el ensayo, en que consiste y que se obtiene a partir de ella. Se enseñara como interpretar los datos obtenidos en una gráfica de esfuerzo-deformación así como de los cálculos que se pueden hacer con los datos para obtener propiedades mecánicas de los materiales. Se hablara de la importancia de estos ensayos y del porque su necesidad. Más adelante se enlistara todo el equipo necesario para llevarlo a acabo, así como una lista completa de los pasos que se deben llevar a cabo durante el ensayo. Se mencionaran medidas preventivas para evitar accidentes y se detallara la norma del ensayo según la ASTM.
Generalidades del ensayo de tensión El ensayo de tracción o prueba de tensión es una prueba mecánica en la que se someten cuerpos largos a cargas axiales, deformándolos hasta la rotura, obteniendo datos de los que se pueden obtener propiedades mecánicas del material. En general, puede ser utilizado para determinar varias propiedades de los materiales. El objetivo es determinar la resistencia a la rotura y las principales propiedades mecánicas del material que es posible apreciar en el diagrama cargadeformación. Los datos obtenidos en el ensayo deben ser suficientes para determinar esas propiedades, y otras que se pueden determinar con base en ellas. Por ejemplo, la ductilidad se puede obtener a partir del alargamiento y de la reducción de área. La prueba consiste en posicionar una probeta en una máquina de tensión sometiéndola a un estiramiento hasta conseguir su ruptura. El estándar más comúnmente utilizado para medir esta prueba en metales es ASTM E-8. Esta prueba consiste en alargar una probeta de ensayo por fuerza de tensión, ejercida gradualmente, con el fin de conocer ciertas propiedades mecánicas de 5
materiales en general: su resistencia, rigidez y ductilidad. Sabiendo que los resultados del ensayo para un material dado son aplicables a todo tamaño y formas de muestra, se ha establecido una prueba en la cual se aplica una fuerza de tensión sobre una probeta de forma cilíndrica y tamaño normalizado, que se maneja universalmente entre los ingenieros. Este ensayo se lleva a cabo a temperatura ambiente entre 10ºC y 35ºC. A continuación se presenta un dispositivo utilizado para realizar este tipo de ensayos. Las especificaciones de la máquina a utilizar en el ensayo a tracción se darán a conocer más adelante. Para poder realizar un ensayo a tracción se necesita tener una base teórica de los comportamientos de cuerpos sometidos a cargas o esfuerzos axiales con el fin de poder interpretar los resultados obtenidos. Estos ensayos son llevados a cabos por mecánicos que son experimentados en el uso de las maquinas de esfuerzos, no obstante el reporte o análisis de datos puede ser realizado por cualquier persona que tenga el conocimiento básico de análisis de esfuerzos, es por esto que los ensayos de tracciones son unas de las practicas mas comunes para estudiantes de ingeniería, en donde ponen en practica sus conocimientos sobre el calculo de esfuerzos e identificación de rotura en diversos materiales. La principal fuente de información obtenida de estos ensayos es una grafica de esfuerzo-deformación en la que se puede ver como variaba la deformación en la probeta a una escala de fuerzas, pudiéndose obtener muchos datos importantes solo al observar la grafica, mientras que en ella se pueden realizar otros cálculos para obtener más datos sobre el material. En un ensayo de tracción pueden determinarse los siguientes datos para realizar cálculos o comparar con otros resultados de ensayos para obtener las propiedades de los materiales: •
•
•
•
•
Módulo de elasticidad o Módulo de Young, que cuantifica
la proporcionalidad de elasticidad del material. Coeficiente de Poisson, que cuantifica la razón entre el alargamiento longitudinal y el acortamiento de las longitudes transversales a la dirección de la fuerza. Límite de proporcionalidad, valor de la tensión por debajo de la cual el alargamiento es proporcional a la carga aplicada. Límite de fluencia o límite elástico aparente, valor de la tensión que soporta la probeta en el momento de producirse el fenómeno de la cedencia o fluencia. Este fenómeno tiene lugar en la zona de transición entre las deformaciones elásticas y plásticas y se caracteriza por un rápido incremento de la deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada. Límite elástico (límite elástico convencional o práctico),
valor de la tensión a la que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.) en función del deformimetro empleado.
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•
•
•
Carga de rotura o resistencia a tracción, carga máxima
resistida por la probeta dividida por la sección inicial de la probeta. Alargamiento de rotura, incremento de longitud que ha sufrido la probeta. Se mide entre dos puntos cuya posición está normalizada y se expresa en tanto por ciento. Estricción, es la reducción de la sección que se produce en la zona de la rotura.
En la siguiente imagen se puede apreciar una gráfica de esfuerzodeformación. En ella se encuentran varios puntos marcados que indican propiedades importantes del material.
La curva que aparece en la grafica indica la magnitud del esfuerzo aplicado y la deformación que se tuvo para tal medida. La primera parte de la curva es una línea recta llamada zona elástica, en donde la probeta se comporta como un resorte: si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa a su longitud inicial. Se tiene entonces que en la zona elástica se cumple:
De esta ecuación se tiene:
F: que es la fuerza aplicada a la probeta, A: es el área transversal a la que esta sometida la carga y E: es el modulo de elasticidad, o modulo de Young. έ: es la deformación unitaria en la dirección de la carga
Esta ecuación describe todo el comportamiento del material antes de ceder su capacidad elástica, a esta formula se le conoce como Ley de Hooke. 7
Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto que se conoce como punto de fluencia, en el cual el material comienza a sufrir una deformación permanente. A partir de este punto, si se elimina la carga, la probeta resultaría más larga que al principio. Deja de ser válida nuestra fórmula y generalmente se dice que ha comenzado la zona plástica del ensayo de tracción. Si la probeta se libera de sus fuerzas en este punto, en la grafica se vería que la curva regrese en línea recta, teniendo la misma pendiente que la de la zona elástica, a un esfuerzo de cero, pero quedaría marcando un valor permanente de deformación indicando que la barra ya rompió su elasticidad. El valor límite entre la zona elástica y la zona plástica se denomina punto de fluencia y a la fuerza que lo produjo la designaremos como Ffluencia. Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un máximo valor de fuerza, o Fmax. En esta zona, la probeta seguirá alargándose hasta que se empiece a formar un cuello en la sección débil de la probeta, zona en la cual se producirá la rotura, como el área se reduce en esta zona, los esfuerzos comienza a aumentar, llegando rápidamente a la rotura. En la gráfica quedará marcado la fuerza de rotura, sin embargo, no se podrá tomar la deformación final durante el ensayo debido al peligro de dejar el deformimetro (medidor de deformaciones) en la probeta cuando reviente esta, así que este dato se obtiene midiendo la varilla una vez retirada de la maquina de ensayos utilizando algún otro instrumento de medida. En la imagen se pueden ver las distintas etapas por las que pasa la probeta antes de romperse.
Una vez completada la grafica se procede a realizar los cálculos necesarios para obtener las propediades mecánicas necesarias. Advertencia: aunque se somete una probeta del mismo material a
un ensayo de tensión bajo las mismas condiciones de carga, las graficas de esfuerzo deformación pueden variar considerablemente, por lo que la experiencia es un factor que ayuda bastante a detectar fallas en los ensayos al comparar gráficas. No obstante, hay algunas propiedades (como el modulo de elasticidad) que siempre permanecerán contantes en los mismos materiales.
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Material utilizado (especificaciones) SAE 1045
Utilizado en la fabricación de una variedad de tornillos, bielas, pinzas hidráulicas y carneros, ejes, una gran variedad de clavijas, una variedad de rollos, postes, árboles, ejes y muchas otras piezas de metal, el acero SAE 1045, por lo general, viene en laminados negros y calientes; sin embargo, también es fabricado ocasionalmente en estado normalizado. Este es un acero al que se le ha dado un tratamiento térmico, destinado a llevar muchas muestras bajo consideración en la misma condición. El 1045 es conocido por una resistencia bastante buena y por sus propiedades de impacto. Tiene buenas cualidades de mecanización, así como cualidades de soldadura de reparación, ya sea en la condición de laminado o normalizado. La maquinabilidad es la capacidad para formar el acero acabado en una pieza mecanizada.
Composición química El hierro es la parte principal del acero 1045. Sin embargo, contiene algunos otros elementos dentro de un rango especificado. El primer elemento es el carbono, con un intervalo de 0,43 por ciento a 0,50 por ciento. El siguiente es la silicona, con un intervalo de 0,10 por ciento a 0,60 por ciento. La última aleación es el manganeso, con un rango permisible de 0.60 por ciento a 0,90 por ciento. El fósforo a veces se puede encontrar en este producto, a un máximo de 0,04 por ciento.
Propiedades mecánicas •
Dureza 163 HB (84 HRb)
•
Esfuerzo de fluencia 310 MPa (45000 PSI) 9
•
Esfuerzo máximo 565 MPa (81900 PSI)
•
Elongación 16% (en 50mm)
•
Reducción de área (40%)
•
Modulo de elasticidad 207 GPa (29000 KSI)
•
Maquinabilidad 57%
Instrumentos y equipo utilizado Material
SAE 1045 Acero de medio carbono. Tiene buenas características de
forja, soldable, responde al tratamiento térmico y al endurecimiento por llama o inducción. Por su dureza y tenacidad es utilizado para la fabricación de componentes de maquinaria. Apto para fabricaciones de exigencias moderadas.
Equipo principal
Maquina universal, Tinius Olsen, modelo "Súper L". La Súper “L”, una de las maquinas universales que goza con estándares muy altos de
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calidad en ensayos hidráulicos. Se caracteriza por el sistema patentado de carga hidráulica de doble presión y por su marco de carga robusto de cuatro columnas, la cual le da una rigidez excepcional. Los sistemas Súper “L” pueden funcionar con facilidad y con la misma efectividad y calidad bajo las normas ASTM, ISO, y otras normas nacionales e internacionales. Con una precisión de +/-0.5% de la carga indicada desde 0.2% hasta 100% de su capacidad.
Equipo misceláneo Calibrador vernier
Es uno de los instrumentos mecánicos para medición lineal de exteriores, medición de interiores y de profundidades más ampliamente utilizados.
Cinta métrica
Es un instrumento de medición, que cuentan con unas líneas marcadas longitudinalmente donde se pueden observar las unidades de medidas y sus divisiones.
Punzón
Es un instrumento de acero durísimo, de forma cilíndrica o prismática, sí han de tomarse mediciones de alargamiento, el tramo de la calibración es marcado o
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trazado. Sobre probetas de metal dúctil de tamaño ordinario, esto se hace con un punzón de centros.
Balanza de tres brazos
La balanza es un instrumento de laboratorio que mide la masa de un cuerpo o sustancia química, utilizando en este ensayo, para medir la masa de la probeta a utilizar.
Deformimetro
Instrumento con el cual se pretende medir las unidades de deformación de la probeta a la hora de aplicar cargas en la misma.
Pasos del ensayo Pasos realizados
Imagen
1. Tomamos las medidas iniciales de
la probeta longitud inicial peso diámetro inicial • • •
12
2. Marcamos con tiza en la probeta
una longitud inicial de 20cm según la norma del ensayo
3. Hacemos uso de un punzón para
hacer unos pequeños orificios a la probeta en los puntos medidos con anterioridad
4. Ajustamos el deformimetro a la
probeta
5. Colocamos
la probeta maquina universal.
en
la
6. Calibramos el deformimetro.
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7. Una vez colocados a las personas
que tomarían las lecturas de carga y deformación, encendimos la máquina
8. Realizamos las lecturas de cada
carga (cada 500 Kgf) y su determinada deformación Tuvimos que tomar con dos personas, una que este viendo detenidamente el deformimetro mientras la otra observa la escala de fuerzas, para evitar un mayor margen de error al cambiar de un medidor al otro. Durante el ensayo, la persona que estuvo observando la escala de fuerzas le indicaba al compañero cuando la aguja pase por cada una de las medidas elegidas previamente, el compañero anotaba la deformación indicada por el deformimetro •
•
9. Seguimos con las lecturas hasta
llegar al punto de fluencia, una vez alcanzado, anotamos la carga de fluencia y la carga máxima.
10. Continuamos
con el ensayo hasta que la probeta se reviente, anotamos la carga última y retiramos la probeta.
11. Juntamos las piezas y tomamos
medida de las dimensiones finales de la probeta
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•
•
Longitud final a partir de los puntos de calibración Diámetro final en el cuello donde reventó.
12. Identificamos el tipo de fractura
que sufrió la probeta
Tabla de datos y cálculos A continuación se presentan las tablas con los datos obtenidos durante el ensayo. Se presentan de forma tabulada y ordenada todos los datos medidos durante la práctica.
Tabla 1. Medidas y datos iniciales
Material Diámetro nominal Área nominal Diámetro inicial Área inicial Longitud inicial calibrada Peso Longitud de muestra
Acero SAE 1045 3/4 pulg. 2.85 cm2 1.89 cm. 2.81 cm2 20 cm 13.03 N 60.0 cm 15
Peso lineal inicial Rango de carga (kgf)
0.217 kg/cm 0 – 40,000
Tabla 2. Medidas finales
Diámetro final Área final Longitud final calibrada Longitud de muestra
1.66 cm. 2.16 cm2 25.0 cm. 61.3 cm
final Peso lineal final Tipo de fractura
0.213 kg/cm Cortadura plana y granular
Tabla 3. Esfuerzos, cargas, deformaciones y elongaciones
1
Carga
Carga
(kgf)
(N)
500
ΔL (103
pulg.)
1000
0
1500
0,0254
2000
0,0254
2500
0,0254
3000
0,0508
3500
0,0508
9
4000 4500
0
17,48338 37
127
34,96676 73
127
52,45015 1
127
69,93353 46
254
87,41691 83
254
104,9003 02
381
122,3836 86
381 508
139,8670 69 157,3504
3 34335
8
)
2 29430
7
(N/mm2)
2 24525
6
)
6
1 19620
5
E(GPa
1 14715
4
δ
1 9810
3
(mm)
έ (10-
0 4905
2
ΔL
0,0762 3
39240 44145
4
0,0762 0,1016
--------275.3 28 412.9 93 550.6 57 344.1 61 419.6 01 321.2 17 367.1 05 309.7 16
53 10
5000
4 49050
11
5500
0,1016
6000
0,127
6500
0,127
7000
0,1524
7500
0,1524
8000
0,1778
8500
0,2032
9000
0,2032
9500
0,2286
10000
0,2286 10
98100 21 22
25950
1143
332,1842 89
9 93195
20
1143
314,7009 06
9 88290
19
1016
297,2175 22
8 83385
18
1016
279,7341 39
8 78480
17
889
262,2507 55
7 73575
16
762
244,7673 71
6 68670
15
762
227,2839 88
6 63765
14
635
209,8006 04
5 58860
13
635
192,3172 2
5 53955
12
508
174,8338 37
25456 9.6
23500
--------511
230535
0,254 1270 ---------- --------13.00
65000
349,6676 73 907,3876 12 821.7190 32
45 344.1 61 302.8 62 330.3 95 298.2 73 321.2 17 275.3 29 275.3 29 292.5 37 275.3 29 290.6 25 275.3 29 -----------------
Datos importantes:
Se tomaron 20 datos antes de llegar a una carga de 10,000 kgf. En ese punto se retiro el deformimetro antes de que la probeta reventara, por lo que no se cuenta con el valor de deformación de la carga máxima. La deformación para el punto de rotura se tomo como el cambio de longitud del tramo calibrado, es decir, L f – L0 = (61.3 – 60.0) cm = 1.3 cm.
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Como en muestra en ambas graficas, no se presenta una porción horizontal que indica la zona de fluencia, se utiliza el método de desviación para obtener un aproximado de su valor. El método consiste en trazar una recta con la misma pendiente del modulo de elasticidad, saliendo desde el 0.2% o 0.002 de deformación unitaria, y donde corte a la curva, ese será el punto de fluencia de nuestra gráfica. Esto lo puede ver con la recta roja en la gráfica 1. Tabla 4. Datos de la gráfica
Esfuerzo máximo Esfuerzo de rotura
907.387612 MPa
Carga
25,950 N
821.719032 MPa
maxima Carga de
23,500 N
rotura 18
Esfuerzo de
750.00 MPa
fluencia Esfuerzo
Carga de
210,414.06 N
fluencia
σ= F/ A0 Esfuerzo ultimo
σultimo
σultimo= 254569.5N / 0.000281 m
σultimo=907.388 MPa
Esfuerzo de rotura σrotura= 2305350N / 0.000281 m
σrotura =821.719 MPa
Porcentaje de Elongación
Donde: Lo: Longitud Inicial calibrada (cm)
L: Longitud final calibrada (cm) Lo=20 cm
L= 25 cm
Porcentaje de reducción de área
Donde: Ao: Área inicial de la probeta (cm2)
A : Área final de la probeta (cm2) Calculo de áreas do =diámetro inicial de la barra
1.89cm d=diámetro final de la barra
%RA
do= d=1.16cm
%RA=23.13 %
Modulo de Elasticidad
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E=330.64 GPa
Análisis de resultados
En la tabla de arriba se tienen los datos teóricos de algunas propiedades mecánicas del material utilizado. Se tomaran los datos del Acero AISI 1040, ya que es el más cercano.
Porcentajes de error:
Para el modulo de elasticidad (E) % Error = |207 – 330.64| x 100 207
% Error = 59.73 %
Para la carga de fluencia
% Error = |350 – 750| x 100 350
% Error = 114.29 %
Para la carga de rotura % Error = |520 – 821.72| x 100 350
% Error = 86.20 %
20
Se puede ver que se obtuvieron resultados demasiado equivocados. La explicación del porque los porcentajes de error son tan elevados se encuentra en las conclusiones.
Conclusiones En el presente trabajo se obtuvieron las siguientes conclusiones las cuales surgieron a partir de un laboratorio que consistió en realizar un ensayo de tracción: •
•
•
Durante la realización del ensayo, el instructor nos informo que la probeta que utilizaríamos es de un material que según su propia experiencia, esta rompería fuera del tramo calibrado, y realizamos la prueba sin saber si esto ocurriría o no. Al final, resulto ser cierto y la probeta reventó en la parte inferior del tramo calibrado, POR LO TANTO el ensayo no fue exitoso. Podemos suponer dos conclusiones acerca del porque sucedió esto: 1) así como nos informo el instructor, debido a las propiedades de resistencia del material, este se fue debilitando en la zona sujeta por las mordazas, en otras palabras esa región era más débil, y efectivamente la rotura se dio de forma granular justo al nivel de las mordazas. 2) El fallo de la probeta puede atribuirse a un posible desperfecto mecánico de parte de la máquina universal, por lo tanto los datos obtenidos presentarán mucho porcentaje de variación respecto a los datos que se esperarían obtener. Debido a que el ensayo no resulto como se esperaba, era imposible obtener las propiedades mecánicas exacta del material con los datos obtenidos. Tomando una recomendación de parte del instructor, el equipo unió los dos pedazos de la varilla rota y midió la longitud final de la varilla (61.3 cm). A partir de este dato se obtuvo una deformación y se trabajo en base a este dato como si fuera tomado del tramo calibrado, es decir, considerando que la varilla si reventó dentro del tramo calibrado. Sin embargo, con la teoría proporcionada en clases, sabemos que este procedimiento es incorrecto, y por lo tanto los resultados obtenidos no son correctos, sino que son aproximaciones a los datos reales del material, esto explica el porque nuestros porcentajes de error son tan elevados. Hacemos énfasis en esto para que no se tomen los resultados obtenidos en este ensayo como absolutos o referencia para futuros ensayos. El valor promedio obtenido del modulo de Elasticidad (330.64 GPa) presenta un grado de error bastante alto en comparación con el dato teórico proporcionado en clases (207 GPa). En 21
contraste los valores de Esfuerzos de Fluencia y Últimos (750 MPa y 821.72 MPa) son bastante alejados de los valores indicados en la tabla de propiedades. Estos datos sin afectados en mayor proporción el hecho de que la falla no se dio donde se esperaba, ya que las deformaciones obtenidas con el deformimetro no eran exactamente las deformaciones propias del tramo calibrado.
•
•
Como este era el segundo ensayo realizado por los miembros del equipo, pudimos notar ciertos cambios respecto a los datos obtenidos con el acero de medio contenido de carbono utilizado, en comparación a una probeta de acero estructural utilizada en un ensayo previo. Pudimos notar que la probeta de medio contenido de carbono requirió casi el doble de carga para poder romperse, también este material no presento un punto de fluencia característico, mientras que el otro material si lo presento. Esto indica la diferencia de elasticidad en ambos materiales. Otro punto que pudimos comparar fue el tipo de rotura en ambas probetas, la de esta vez presento una rotura plana granular, en una sección en la que el área no se redujo mucho, mientras que en el acero estructural presenciamos una rotura de cono inclinada con una reducción de área mucho mayor. Gracias a la experiencia obtenida en ambos ensayos, logramos ver como se comportaban dos materiales distintos sometidos a ensayos y confirmar muchos puntos teóricos vistos en clases. Con el tipo de fractura que presento la probeta puede confirmarse que el acero utilizado no es un material muy dúctil, habiéndose formado un corto granular y poca reducción de área. Nuestro porcentaje de elongación fue de 25% mientras que se esperaba de 30%, por lo que se concluye que no hubo problemas con el estiramiento de la probeta en cuando a longitudes finales. En teoría, si la rotura de la probeta se produce fuera de las marcas, el ensayo no debe considerarse válido. Suele ser causado por un mal proceso de fabricación. En ocasiones la entrada del molde no es la adecuada para facilitar el llenado, no se compacta bien el material y se produce la rotura por la sección más débil.
22
Recomendaciones
•
•
•
Leer más acerca de las propiedades del material a ensayar, para tener más clara la idea de cómo se fracturara y en qué valores lo hará y así tener más seguridad del rango de carga en el cual es más apropiado quitar el deformimetro de la probeta que está siendo ensayada.
Para la realización totalmente exitosa del ensayo de tracción del acero SAE 1040 , es recomendable que se calibre la máquina y el deformimetro correctamente , para que de esta manera los datos que proporcionen ambos sean más exactos y se reduzca el porcentaje de error del ensayo. Adquirir el material en un establecimiento que de fe de la calidad del producto que ha sido adquirido y así estar más seguros de que se obtuvo el material que se requería para el ensayo y los datos teóricos se aproximen mas a los datos obtenidos en el ensayo
23
Bibliografía
•
Ciencia e Ingeniería de Materiales, William F. Smith, 3ª edición
•
Annual Book of ASTM Standars 2003, Vol. 00.001
•
Annual Book of ASTM Standars 2003, Vol. 01.04
•
•
Protocolo de Ensayo de Tensión, 1ª edición, Escuela colombiana de ingeniería Manual de Mecánica Industrial , Vol. 1
24
Distribución del Trabajo
Alvaro Humberto Hernández Roque • •
Tablas y gráficos Conclusiones
Melissa Lissette Peña Muñoz • •
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UE11001
Material e Instrumentos Análisis de resultados y Recomendaciones
Carlos Armando Zelaya Cano •
PM11014
Pasos a seguir Calculos
Juan Pablo Umaña Escalante •
HR11008
ZC11001
Especificaciones del material Normas del ensayo y material
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Anexos Normas del ensayo: A370 E8 A continuación se encuentra la traducción de la norma para ensayos de tensión en materiales metálicos. La norma actual del ensayo es tal como se designa en el articulo A370 - 02 έ1. El número delante de la letra indica el año de publicación o año de revisión (si la tiene) de la norma, en este caso, la norma fue pública en 1937. La potencia del Epsilon έ indica un cambio de editorial para la última revisión de la norma. La norma E8 son las especificaciones de ensayos o Terminología relacionada con Métodos de Ensayos Mecánicos. Los siguientes párrafos fueron traducidos directamente de Libro Anual de Normas ASTM:
Alcance Estos métodos de ensayo, procedimientos y definiciones para las pruebas mecánicas de los aceros de forja y fundición, aceros inoxidables y aleaciones relacionadas. Los ensayos mecánicos acá desarrollados se utilizan para determinar las propiedades requeridas y las especificaciones del producto. Las variaciones en los métodos de ensayo se procuran evitarse, y los métodos estándar de ensayo deben de realizarse seguidos para obtener resultados reproducibles y comparables. En aquellos casos en los que los requisitos de prueba para ciertos productos o materiales son únicos o la variabilidad con los procedimientos generales del mismo, el producto o los requisitos que el material presenta en base a sus especificaciones durante el ensayo estos deberán de estudiarse con un mayor control.
Aparatos de ensayo y de Operaciones
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Sistemas de Carga: Hay dos tipos generales de carga ing. sistemas, mecánica (potencia tornillo) y hidráulico. Estos difieren principalmente en la variabilidad de la tasa de aplicación de la carga. Las máquinas de tornillo que consumen cantidades mayores de energía se limitan a un pequeño número de velocidades fijas libres durante la ejecución. Algunos tornillos modernos de máquinas eléctricas, y todas las máquinas hidráulicas permiten “stepless” variación en toda la gama de velocidades. La máquina de prueba de tensión deberá mantenerse en buen estado en cuanto a la condición de funcionamiento, saber utilizar sólo en el intervalo de carga adecuado, y calibrarlo periódicamente. Muchas máquinas están equipadas con grabadoras de tensión-deformación para que automáticamente se grafique y se realice un trazado de las curvas tensión-deformación. Cabe señalar que algunos maquinas con estas grabadoras tienen un componente de medición de carga totalmente separada del indicador de carga de la máquina de ensayo. Tales registradores se calibran por separado. En cuanto a la función del agarre o sostenido que realiza el dispositivo de la máquina de ensayo para transmitir la carga de los cabezales de la máquina a la muestra sometida a prueba. El requisito esencial es que la carga se transmite axialmente. Esta implica que los centros de la acción realizada por las garras estarán alineados, en la medida de lo posible, con el eje de la muestra desde el comienzo y durante la prueba y que la flexión o torsión se mantiene al mínimo. En el caso de ciertas secciones probadas en su tamaño completo, Las cargas no axiales es inevitable y en tales casos se deberá dar un rango permisible.
Velocidad de pruebas: La velocidad de las pruebas no será mayor que aquella a la cual las lecturas referentes a la carga y la deformación se puedan realizar con precisión. En las pruebas de producción, la velocidad de la prueba es comúnmente en términos de velocidad de funcionamiento libre cruceta (velocidad de movimiento de la cruceta de la máquina de ensayo cuando no se realice bajo carga), en términos de velocidad de separación de las dos cabezales de la máquina de ensayo bajo carga. Las siguientes limitaciones en la velocidad de las pruebas son recomendadas mientras sean adecuadas para la mayoría de productos de aceros. Tensión pruebas con máquinas de circuito cerrado (con retroalimentación de control de la frecuencia) no se debe realizar utilizando el control de carga, ya que este modo de prueba dará como resultado la aceleración de la cruceta a ceder y la elevación de la resistencia a la medida de fluencia. Cualquier velocidad conveniente de pruebas puede utilizarse hasta una mitad del punto de fluencia especificado o resistencia a la fluencia. Cuando este punto es alcanzado, la tasa de funcionamiento libre de la separación de la crucetas se ajustarán de manera que no exceda 1/16 pulgadas por minuto por pulgada de sección reducida, o la distancia entre las mordazas para las muestras de ensayo que no tienen secciones reducidas. Esta velocidad se mantiene a través del punto de fluencia o límite elástico.
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En la determinación de la resistencia a la tracción, la tasa de funcionamiento libre de separación de las cabezas no excederá 1/ 2 pulgadas por minuto por pulgada de sección reducida, En cualquier caso, la velocidad mínima de prueba no podrá ser inferior a 1/10 la especificaciones en cuanto a las tarifas máximas para determinar el punto de producción o rendimiento la fuerza y la resistencia a la tracción. Es permitido para ajustar la velocidad de las pruebas de la maquina mediante el ajuste de la velocidad de marcha libre a la cruceta encima de los valores especificados, ya que la velocidad de separación de los cabezales bajo carga en estos ajustes de la máquina es menor que el de los valores especificados de velocidad libre de la cruceta en cuanto a su funcionamiento. Como alternativa, si la máquina está equipada con un dispositivo para indicar el tipo de carga, la velocidad de la máquina a partir de la mitad del límite de elasticidad o resistencia a la fluencia especificada a ceder o punto de fluencia se puede ajustar de modo que la tasa de destacando no exceda de 100 000 psi (690 MPa) / min. Sin embargo, la tasa mínima es de recalcar que no será inferior a 10 000 psi (70 MPa) / min.
Parámetros de prueba de muestras Selección: la selección de los cupones serán seleccionados de acuerdo con las especificaciones de los productos correspondientes. Productos de acero forjado suelen ser probados en la dirección longitudinal, pero en algunos casos, donde las dimensiones así lo permitan y el servicio lo justifique, las pruebas se encuentran en las direcciones transversales, radiales o tangenciales. Para Aceros forjados de matriz abierta, el metal para las pruebas de tensión se suele realizar al permitir que las extensiones o prolongaciones en uno o ambos extremos de las piezas forjadas, ya sea en todo o un número representativo de lo dispuesto, y las especificaciones del producto. Las muestras de ensayo se toman normalmente en la mitad del radio. Ciertas especificaciones del producto permiten el uso de una muestra o la destrucción de una parte de la producción para fines de prueba, proporcionado por el aumento del diámetro, el grosor o la longitud de la forja. Algunos materiales forjados de disco o anillo, que se trabajan o ampliado por forjar en una dirección perpendicular al eje de la forja, por lo general tienen su extensión principal a lo largo círculos concéntricos y para forjas, tal es la tensión tangencial de estos materiales que se obtienen de metal extra en la periferia o final de la forja. Para algunas piezas de forja, tales como rotores, radiales los ensayos de tracción son necesarios. En tales casos, las muestras se cortan desde ubicaciones especificadas.
Tamaño y Tolerancias Test de especímenes deben ser plenamente de espesor o sección de material de laminado, o puede mecanizar a la forma y las dimensiones, ambos inclusive. La selección del tamaño y tipo de muestra es prescrita por el pliego de condiciones correspondiente. Especímenes completos Sección que debe de
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ensayarse en 8-en. (200-mm) calibre longitud a menos que se representa en las especificaciones del producto.
Adquisición de analizar muestras La muestra deberá ser esquilada, en blanco, aserrado, trepanado porciones del material. Por lo general son maquinados para tener una sección transversal reducida en la mitad de la longitud con el fin de obtener uniforme distribución de la presión sobre la sección transversal y para localizar la zona de fractura. Cuando los cupones de prueba se cortan, se blanquean, se asearan, o el oxígeno da lugar al corte, se debe tener cuidado de eliminar por mecanizado todas las imperfecciones, trabajado en frío o calor afectadas zonas desde los bordes de la sección utilizada en la evaluación de la prueba. El envejecimiento de las muestras de ensayo . A menos que se especifique lo contrario, se permitirá a los especímenes de prueba de tensión de edad. El tiempo del ciclo de temperatura empleado debe ser tal que los efectos de los tratamientos anteriores no será cambiado considerablemente. Puede ser realizado por el envejecimiento a temperatura ambiente 24 a 48 tiempo más corto a temperaturas moderadamente elevadas por ebullición en agua, calefacción en aceite o en un horno. Medición de las dimensiones de las probetas: Las muestras rectangulares estándar: para determinar el tiempo más corto a temperaturas moderadamente elevadas por ebullición en agua, calefacción en aceite o en un horno. Es importante, por tanto, que la atención sea ejercida en la preparación de muestras, en particular en el mecanizado, para asegurar un buen acabado. Es deseable que el área de sección transversal de la espécimen más pequeño este en el centro de la longitud de la medición para asegurar fractura dentro de la longitud de referencia. Esto está previsto en la conicidad en la longitud de los límites permitidos para cada uno de los especímenes. Para materiales frágiles es aconsejable tener volúmenes de radio grandes en los extremos de la longitud de los medidores. Tipo de muestra Algunas muestras se utilizan para transformar materiales metálicos en forma material de placa, estructurales y tamaño de las formas de barras y plana que tiene un espesor nominal de 3/16 pulgadas (5 mm) o más. Cuando las especificaciones del producto lo permiten, otros tipos de muestras pueden ser utilizados. De hojas Tipo de muestra Este tipo de muestra se utiliza para probar los materiales metálicos en la forma de hojas, láminas, alambre plano, tira, banda, y el aro que va en espesor nominal de 0,005 a ¾ pulg (0,13 a 19 mm). Las muestras de la Ronda El estándar de 0.500-in. (12,5 mm) de diámetro prueba ronda en donde el espécimen se utiliza muy generalmente para probar materiales metálicos, tanto Reparto y forjado. También muestra pequeños especímenes tamaño 29
proporcional a la muestra estándar. Estos se pueden usar cuando es necesario para probar materiales de la que la muestra estándar o especímenes se muestra los cuales no se puede preparar. Otros tamaños de pequeño y redondo especímenes pueden ser utilizados. En cualquier espécimen de tal tamaño pequeño es importante que la longitud de referencia para la medición de la elongación ser cuatro veces el diámetro de la muestra. La forma de los extremos de las muestras fuera de la longitud calibrada será la adecuada para el material y de una forma a encajar los soportes o mordazas de la máquina de ensayo de modo que las cargas se aplican axialmente.
Determinación de las propiedades de tracción Rendimiento de punto límite de fluencia es la tensión primero en un material, menor que la tensión máxima obtenible, en el que un aumento se produce sin un aumento de estrés. Límite de elasticidad es destinada a la aplicación sólo para materiales que pueden exhibir la característica única de mostrar un aumento de la deformación sin un aumento del estrés. El diagrama de tensión-deformación se caracteriza por un codo o discontinuidad. El punto de fluencia se puede determinar por uno de los siguientes métodos:
Liberación de la viga o método de detención del puntero: En este método, se aplica una carga en aumento a la probeta a un ritmo uniforme. Cuando se usa una de las poleas de la maquina de equilibrio, mantenga la viga en balance manteniendo el equilibrio al mismo ritmo. Cuando se alcance el punto de fluencia de la probeta, el incremento de la carga se detendrá, pero mueva el punto de equilibrio un poco más delante de la posición de equilibrio, y la viga de la máquina descenderá un poco por un corto pero apreciable intervalo de tiempo. Cuando se cuenta con una máquina equipada con un indicador de carga, la máquina tundra un ligero retraso con la medida correspondiente del peso de la viga. Observe la carga del “peso de la viga” o a la “detención del puntero” y anote las correspondientes puntos de fluencia. Método del Diagrama Autográfico: Cuando se tenga una autográfica con un punto de rodilla, tomar el punto de fluencia correspondiente indicado por la rodilla, o el punto en el que la curva empieza a descender. Método de la Extensión Total bajo Carga: Cuando la probeta o material usado en el ensayo no presente una desproporcionalidad bien definida que caracterice el punto de fluencia por el peso de la viga, al igual que en la detención del puntero o el diagrama autográfico previamente descritos, una forma equivalente aproximada del punto de fluencia de significado práctico puede encontrarse utilizando el siguiente método y registrarse con un punto de fluencia valido: colocar un extensómetro de clase C o de calidad superior a la probeta. Cuando la carga alcance una elongación especifica anotar la correspondiente carga como fuerza de fluencia.
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Fuerza de fluencia La fuerza de fluencia es la carga en la que el material presenta un límite de desviación específica de la proporción de la resistencia de carga. La desviación se expresa en términos de la carga, en porcentaje, extensión total bajo carga, etc. La fuerza de fluencia puede ser determinada por uno de los siguientes métodos: Método del contrapeso: para este método, es necesario guardar los datos (autográficos o numéricos) de diagrama de esfuerzo-deformación que resultara. En el diagrama, trazar el Om equivalente al especificado en el valor del contrapeso, dibujar mn paralelo a OA, y así encontrar r, la intersección de mn con la curva correspondiente a la carga R, el cual es la fuerza de fluencia. Al anotar los valores de fuerza de fluencia obtenidos con este método, el valor del contrapeso especificado o usado, o ambos, deberá colocarse en paréntesis junto a la fuerza de fluencia, por ejemplo: Fuerza de fluencia (0.2% contrapeso) = 52,000 psi (360 MPa) Cuando el contrapeso es 0.2% o más, el extensometro usado deberá ser de la clase B2 o por lo menos contener una escala de 0.05 a 1.0%. Si se obtiene un contrapeso menor, puede ser necesario utilizar un dispositivo aun más preciso (es decir, de clase B1) o reducir el límite inferior del rango de fuerzas (por ejemplo, a 0.01%) o ambos.
Método de extensión bajo carga: para pruebas de determinación de la aceptación o rechazo de materiales cuyas características de esfuerzodeformación son bien conocidas debido a previos ensayos similares del mismo material, la deformación total correspondiente a la fuerza en el contrapeso especificado ocurrirá en un límite satisfactorio. La carga del espécimen, cuando se alcance la máxima elongación, será el valor de la fuerza de fluencia. Al anotar los valores de fuerza de fluencia obtenidos con este método, el valor de la “extensión” especificada, o usada, o ambos, se deberá colocar junto al valor de la fuerza de fluencia en paréntesis, por ejemplo: Fuerza de fluencia (0.5% EUL) = 52,000 psi (360 MPa)
Resistencia a tensión Calcule la resistencia máxima a tensón del material dividiendo la carga máxima aplicada durante el ensayo sobre el área transversal original de la probeta. Elongación Para calcular la elongación de los puntos calibrados, junte las puntas quebradas de la probeta con cuidado y mida la distancia entre los puntos calibrados. Un porcentaje de la escala que dice 0.5% puede ser usado. La elongación será el incremento respecto a la longitud original expresada en porcentaje.
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