σu
Limite prop.
σy
σruptura
1
F- L
Desplazamientos (x^-5 m)
Fuerzas (N)
Esfuerzo-Deformación
ɛ (x10^-3 pulg/pulg)
σ (MPa)
INDICE
Introducción………………………………………………………………………3
Objetivos
Objetivo general ………………………………………………………...4
Objetivos específicos…………………………………………………….4
Alcances y limitaciones …………………………………………………………5
A. Marco teórico.
Generalidades de material………………………………………………………6
Propiedades y parámetros de referencia………………………………………7
Generalidades del ensayo………………………………………………………8
Norma teórica ASTM y sus apartados numéricos
que rigen cada fase del ensayo ……………………………………………......9
B. Realización del ensayo.
1. Condiciones ambientales en que se realizó…..……………………………12
2. Maquinaria y equipo, accesorios o instrumentos utilizados………………12
3. Preparación de la probeta..………..…….……………………………………15
4. Datos iniciales de la probeta……..…………………………………………..15
5. Preparación de la maquinaria o equipo….……………………………….…15
6. Montaje de la probeta y accesorios……………………………………........16
7. Variables de operación………………………………………………………..17
8. Descripción resumida del proceso de realización del ensayo…………….18
C. Resultados.
1. Datos obtenidos del ensayo……………………………………………..19
2. Datos finales de la probeta……………………………………………….19
3. Tabulación de los datos y gráficos……………………………………….20
4. Cálculo de los parámetros y/o variables …………………………….…22
5. Propiedades del material ensayado……………………………………..24
D. Análisis……………………………………………………………………………25
E. Conclusiones
1. Coonclusiones y recomendaciones…..…………………………………26
Bibliografía..…………………………………………………………….…28
Glosario Técnico………………………………………………………….29
Anexos
Ficha técnica AISI-1020
E 8M: Standard Test Methods for Tension of Metallic Materials
Apéndices
NTRODUCCIÓN
El medio ambiente físico que nos rodea está formado materia. La materia ha existido desde mucho antes que la humanidad, pero esta ha evolucionado y mejorado gracias a la utilización inteligente de estos materiales.
El avance exponencial en la tecnología de materiales ha conducido a la creación de nuevos productos y al florecimiento de nuevas industrias. Gracias a ellos las necesidades de las personas y las industrias se pueden satisfacer con cada vez más facilidad. Las aplicaciones industriales de los materiales deben tomar en cuenta la elección del material, su coste-beneficio para obtener dicho material, las técnicas de procesado y las técnicas de análisis.
La comprensión de los materiales es fundamental en el estudio de los procesos de industriales y de manufactura. Ciertos materiales responden bien a ciertos tipos de procesos y usos, y mal, o nada a otros. Pero ¿cuáles son las características y propiedades de los materiales que determinan su capacidad para transformarse a través de procesos diferentes y realizar funciones diferentes? ¿Cuál es la forma ideal para determinar estas características y propiedades de los materiales de forma experimental?
Este informe presenta una breve y resumida investigación bibliográfica sobre los parámetros y propiedades del material asignado SAE1020, así como también sobre la norma que rige el ensayo de tracción en aceros. Como parte experimental del informe se realizó tal ensayo en una probeta del material SAE1020 y se obtuvieron y analizaron los resultados arrojados por la máquina universal de ensayos de la Escuela de Ingeniería Civil de la UES.
Finalmente ser hace un análisis al contrastar los resultados obtenidos a partir del ensayo respecto con los parámetros y propiedades de referencia del material previamente obtenidos por investigación bibliográfica. El informe termina con las conclusiones y recomendaciones acerca de la medición de propiedades del material asignado.
OBJETIVOS
Objetivo General
Contrastar los parámetros y propiedades del material SAE1020 con los obtenidos a través de un ensayo de tracción.
Objetivos Específicos
Elaborar un marco teórico sobre propiedades y parámetros del material SAE1020.
Elaborar un marco teórico sobre la norma que rige el ensayo de tracción en aceros.
Llevar a cabo de forma experimental un ensayo de tracción con una máquina universal de ensayos sobre una probeta de acero de bajo contenido de carbono SAE1020 y tabular los resultados obtenidos.
ALCANCES Y LIMITACIONES
Alcances.
El reporte detalla de forma breve las generalidades y especificaciones del material SAE1020 incluyendo sus propiedades y parámetros de referencia. Sin embargo no incurre en detalles sobre los procesos de transformación y obtención. También se describe a totalidad el ensayo de tracción en metales, sus requerimientos, proceso y resultados en forma teórica y experimental.
Se detalla además la realización del ensayo de tracción en forma experimental incluyendo los datos arrojados por una máquina universal de ensayos, obteniéndose asi las principales propiedades del material asignado que se pueden calcular a partir de estos datos.
Limitaciones.
Los datos de los instrumentos de medición tanto de la máquina universal de ensayos, como del extensómetro, eran con escala análoga, lo que limito la precisión de lectura de los datos.
La velocidad en que se aumentaba la carga sobre la probeta limito las lecturas de los datos al suceder estos en un intervalo muy pequeño de tiempo en consecución de una lectura de datos a la siguiente.
La fractura de la probeta no siempre se genera dentro de la longitud base en este experimento. Tal fue el caso en esta probeta, lo que generó una pequeña desviación de la exactitud del valor experimental del cambio de longitud con respecto valor real.
MARCO TEORICO
Generalidades del Material
Se puede comenzar a hablar de las generalidades del material dando un concepto general del acero:
El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0.05% hasta menos de un 2% de contenido de carbono). Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el Cromo o Níquel se agregan con propósitos determinados.
Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más de un 98%), su fabricación comienza con la reducción de hierro el cual se convierte más tarde en acero.
El hierro puro es uno de los elementos del acero. No se encuentra libre en la naturaleza ya que químicamente reacciona con facilidad con el oxígeno del aire para formar óxido de hierro.
Entre los tipos de acero se encuentran los aceros al carbono, los cuales constituyen más del 90% de todos los aceros. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1.65% de manganeso, el 0.60% de silicio y el 0.60% de cobre.
Luego de esta definición general a continuación se especifica un concepto para el acero de bajo contenido de carbono (El cual es de principal interés en este reporte):
El Acero de bajo contenido de carbono constituye la mayor parte de todo el acero fabricado. Contienen menos del 0.25 % en peso de carbono. La microestructura consiste en ferrita y perlita. Por tanto, son relativamente blandos y poco resistentes pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad.
Ahora se procede a clasificar el material:
La ciencia de materiales clasifica a todos los materiales en función de sus propiedades y su estructura atómica. Así hay cuatro tipos de materiales:
Metales
Cerámicos
Polímeros
Materiales compuestos
Otra clasificación seria en función de su utilización, así se definen dos tipos de materiales:
Materiales estructurales
Materiales funcionales
Dada la estructura atómica del acero este entra en el grupo de los metales, ya que debido a la estructura atómica de los metales estos tienen propiedades tales como la maleabilidad, ductilidad, tenacidad, resistencia mecánica; y estas son propiedades que se identifican en el acero.
Ahora si observamos la utilización del acero este entra al grupo de los materiales estructurales, ya que este cuenta con propiedades mecánicas que lo hacen ser muy eficiente en casi todo tipo de estructura.
Ahora que ya se definió y se clasificó el material, lo siguiente es mostrar la designación normalizada del material:
Según el CENIM, este tipo de material entra en la clase F (aleaciones férreas); y a su vez este material entra en la serie 1 (aceros finos de construcción general), y más específicamente usando la cifra 110 (que se utiliza para aceros al carbono); por tanto la designación normalizada según el CENIM es: CENIM F-110.
ASTM clasifica los materiales con una letra y dos cifras, en este caso la letra indica el grupo de aplicación y el material estudiado entra en el grupo A (aceros); la designación normalizada según ASTM es: ASTM A36 (acero estructural al carbono).
La norma SAE clasifica los materiales usando cuatro cifras; la primera cifra indica el tipo de acero o aleación, el material estudiado tomaría el valor de 1 (acero al carbono); la segunda cifra indica para el caso de aceros de aleación simple, el porcentaje aproximado del elemento predominante de aleación, el material estudiado tomaría el valor de 0, ya que no es aleado; y las últimas dos cifras indican el tanto por ciento en contenido de carbono, en este caso el material estudiado tiene un 10% de carbono; por lo tanto la designación normalizada según SAE es: SAE 1010.
Propiedades y parámetros de referencia
Propiedades Mecánicas:
Resistencia a la tracción: MAX. 32-37 kg/mm² o 210 MPA
Límite de Fluencia: MAX. 23-27 kg/mm²
Dureza Brinell en estado de entrega: MAX. 100-140DB
Dureza Rockwell C: por la poca penetración del temple se usa en estado normalizado. (para dureza hay que cementarla).
Propiedades mecánicas según norma SAE J1397:
Para el acero caliente y maquinado:
Resistencia a la tracción: 400MPa
Límite de fluencia: 220MPa
Para el acero estirado en frío:
Resistencia a la tracción: 400MPa
Límite de fluencia: 370MPa
Parámetros de Referencia:
Márgenes de seguridad:
En barras de diámetro mayores a 30mm existe un efecto de masa que tiene influencia directa sobre las propiedades mecánicas resultando en una disminución ligera de las mismas.
En barras más delgadas a 20mm, los datos de resistencia definidos por la norma SAE J1397 son ligeramente mayores.
Los datos anteriores fueron tomados de la ficha técnica proporcionada por el vendedor.
Generalidades del ensayo
Los ensayos de materiales son procedimientos normalizados con los que se cuantifican las diferentes propiedades de los materiales. Se simulan las condiciones de trabajo real y su estudia su aplicación. Los materiales de interés tecnológico se someten a una variedad de ensayos para conocer sus propiedades.
Con objeto de averiguar si un material es el más adecuado para soportar una condición de carga, se le somete a una serie de diferentes ensayos de materiales.
Se pueden definir 6 tipos de ensayos:
Ensayo de Tracción
Ensayo de Dureza
Ensayo de Resiliencia
Ensayo de Compresión
Ensayo de Torsión
Ensayo de Fatiga
El tipo de ensayo que se realizará al material de estudio es el ensayo de tracción y su definición se presenta a continuación:
Ensayo de Tracción:
El ensayo de tracción de un material es aquel que consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la misma. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente.
Este ensayo permite obtener información sobre la capacidad de un material para soportar la acción de cargas estáticas o de cargas que varían lentamente. Como los componentes metálicos se proyectan en la mayoría de las ocasiones para trabajar en estas condiciones, probablemente este es el más popular entre los ensayos que permiten caracterizar el comportamiento mecánico de un material metálico. Además a partir de estos ensayos se pueden obtener los diagramas de esfuerzo-deformación unitario para dichos materiales.
A continuación se clasifica el ensayo a realizar según algunos criterios:
Según la rigurosidad del ensayo este se clasifica como ensayo científico; ya que el objetivo principal que persigue es el de conocer y estudiar las propiedades del material.
Según la naturaleza del ensayo este se clasifica como ensayo mecánico; ya que determina la resistencia y elasticidad de un material cuando se somete a diferentes esfuerzos; pero el ensayo realizado se puede especificar aún más dentro de este grupo y clasificarlo como ensayo estático.
Según el nivel de destrucción de la pieza el ensayo se clasifica como destructivo; ya que el material sometido al ensayo sufre rotura o daño en su estructura
Norma Técnica (ASTM E 8M)
A continuación se mencionan los apartados numéricos de la norma ASTM E 8M que rigen cada fase del ensayo, especificando en qué consisten:
5. Equipo
5.1 Máquinas de comprobación – Las máquinas utilizadas para las pruebas de tensión deberán ajustarse a los requisitos de las prácticas E4. Las fuerzas utilizadas en la determinación de resistencia a la tracción y límite de elasticidad deben estar dentro de la gama de aplicación de fuerza verificadas de la máquina de comprobación tal como se define en la práctica E4.
5.2 Dispositivos de agarre
5.2.1 General – Diversos tipos de dispositivos de agarre pueden utilizarse para transmitir la fuerza aplicada por la máquina de comprobación para las muestras de prueba. Para garantizar la tensión de tracción axial dentro de la longitud de calibre, el eje de la muestra de ensayo debe coincidir con la línea central de las cabezas de la máquina de comprobación. Cualquier desviación de este requisito puede introducir tensiones de flexión que no están incluidos en el cálculo de la tensión habitual (fuerza dividida por el área de sección transversal).
5.2.2 Mecanismos de agarre – Estas máquinas de prueba suelen estar equipadas con mecanismos de agarre. Estos mecanismos de agarre generalmente proporcionan un buen agarre de muestras largas de metal y muestras de ensayo. Sin embargo, si por cualquier razón, un sujetador aprieta más que del otro, un esfuerzo de flexión no deseado puede presentarse. Para obtener los mejores resultados, los sujetadores deben ser apoyados a través de toda su longitud por los cabezales de la máquina de comprobación. Esto requiere de sujetadores de varios espesores disponibles para cubrir el rango de espesor de la muestra. Para el correcto agarre, es deseable que toda la longitud de la cara dentada de cada sujetador este en contacto con la muestra.
5.3 Dispositivos de medición-dimensión – Los micrómetros y otros dispositivos utilizados para medir dimensiones lineales son los más precisos para medir hasta un medio de la unidad más pequeña que se requiere medir.
5.4 Extensómetros – Los extensómetros utilizados en las pruebas de tensión se ajustarán a los requisitos de la práctica E 83 para las clasificaciones especificadas por la sección del procedimiento de este método de prueba. Los extensómetros deberán ser usados y verificados para incluir las tensiones correspondientes a la resistencia a la tensión y la elongación a la rotura (en determinados casos).
6. Muestras de prueba
6.1 General:
6.1.1 Tamaño de la muestra – Las muestras de prueba deben ser sustancialmente tamaño completo, según lo estipulado en las especificaciones del producto para el material que está siendo probado.
6.1.2 Posición – A menos que se especifique lo contrario, el eje de la muestra de ensayo se encuentra dentro del material principal como sigue a continuación:
6.1.2.1 Desde el centro de las muestras; 38 mm o menos de espesor, diámetro o distancia plana.
6.1.2.2 Tome la mitad de la superficie como 38 mm de espesor, diámetro o distancia plana
7. Procedimientos
7.1 Preparación de la prueba de la máquina – Durante el inicio, o después de un período prolongado de inactividad de la máquina de prueba se debe calentar a temperaturas normales de operación para minimizar los errores que pueden resultar de las condiciones transitorias.
7.2 Medición de las dimensiones de las probetas:
7.2.1 Para determinar el área en sección transversal de un espécimen de prueba, medir las dimensiones de la sección transversal en el centro de la sección reducida.
7.3 Largo Gage Marcado de especímenes de prueba:
7.3.1 La longitud de la galga para la determinación de elongación debe ser de acuerdo con las especificaciones del producto para el material que se ensaya.
7.4 Puesta a cero de la máquina de prueba
7.4.1 La máquina de ensayo debe estar en un estado de tal manera que el cero indica que la muestra está en un estado de fuerza cero.
7.5 Agarre de la muestra de ensayo
7.5.1 Para las muestras con secciones reducidas, el agarre de la muestra se limita a la sección de agarre, porque el agarre en la sección reducida o en el filete puede afectar significativamente a los resultados.
7.6 Velocidad de prueba:
7.6.1 La velocidad del ensayo puede ser definido en términos de:
a) la tasa de esfuerzo de la muestra,
b) la tasa de tensado de la muestra,
c) la velocidad de separación de las dos cabezas de la máquina de ensayo durante una prueba,
d) el tiempo transcurrido para completar la parte o la totalidad de la prueba,
e) del funcionamiento de libre velocidad de cruceta.
REALIZACIÓN DEL ENSAYO
Condiciones ambientales
Debido al carácter científico del ensayo realizado, se trató en la medida de lo posible mantener las condiciones ambientales lo más estables posibles.
Temperatura:
El acero al igual que la mayoría de metales puede presentar cierta elongación producto de un aumento o disminución de temperatura, al realizar el ensayo verificamos que la temperatura dentro del laboratorio no presento cambio significativos y se mantuvo estable a 24 grados Celsius.
Presión y humedad:
Ambos factores pueden afectar no directamente al material si no al funcionamiento idóneo de la maquinaria, dichos factores no presentaron cambios durante el transcurso del ensayo y se mantuvieron estables, se realizó el ensayo a una presión de 1012 hPa y una humedad relativa de %88
Maquinaria y equipo
Maquina universal de ensayos (Tinius olsen Super L)
La máquina "súper L" es una maquina hidráulica de prueba universal para materiales críticos. Entre estos materiales podemos mencionar al acero 1010 acero 4140 o aluminio 6061. Esta máquina se basa en un sistema de carga hidráulicas dual y una construcción rígida de cuatro columnas para una carga excepcional.
Las maquinas nuevas presentan ahora una consola muy compacta en comparación con los modelos más viejos, el que se encuentra en el laboratorio de civil al ser un modelo antiguo, presenta un sistemas electro mecánico con el cual despliega los valores de fuerza de tensión aplicado al material por medio de una aguja y una escala circular.
La máquina presenta dos perillas, una para cargar la maquina con el líquido hidráulico y ejercer una fuerza sobre la pieza y otra para liberar el aceite de nuevo para el depósito, de esta forma se deja de ejercer fuerza sobre la pieza.
La "súper L" tiene la capacidad de ejercer hasta 30000 kg de presión. Posee tres tubos bourdon y un LDVT, todos calibrados para medir en tres diferentes escalas de carga, que van de 0 a 600 Kg y 30000 Kg y un sistema selector para dejar pasar presión únicamente al tubo bourdon de la escala con la cual se va a realizar la prueba.
5511
5
5
1
1
44
4
4
22
2
2
33
3
3
1. Indicador de carga
2. Válvulas de carga y descarga
3. Pistón hidráulico
4. Mordazas
5. Manivela de sujeción
Instrumentos de medida:
Para medir la posible contracción lateral de la probeta debemos tener instrumentos que sean capaces de obtener mediciones muy pequeñas, para nuestro ensayo nos serán de utilidad el calibrador vernier y el micrómetro.
Calibrador vernier
Extensómetro:
El propósito central de nuestro ensayo fue medir la elongación de la probeta con respecto a los esfuerzos que son aplicados mediante nuestra máquina de ensayos, para tal propósito se utilizó un extensómetro. En la siguiente figura se muestra el extensómetro analógico utilizado.
Balanza
Utilizada para medir la masa inicial de nuestra probeta
Cinta métrica
Aparato de medición que se utilizó para obtener la longitud inicial de la probeta
Preparación de la probeta
3.1) Inspección Visual.
Consiste en un primer control que permite determinar la existencia de fallas o fisuras superficiales, como así también la rectitud del eje longitudinal. Este primer paso acepta o descarta la utilidad de la probeta.
3.2) Limpieza de la probeta
Se esmerilaron los extremos de la probeta para asegurar que la fijación de las mordazas sea optima, de esa manera evitaremos errores a la hora de tomar los datos del extensómetro.
3.3) Marcación de la probeta
Para obtener de una manera confiable la elongación total de la probeta, se realizan muescas con el esmeril, a partir de estas muescas se toman los valores de longitud inicial y longitud final.
Datos iniciales de la probeta
Los datos tomados a la probeta antes de realizar el ensayo son resumidos en la siguiente tabla.
Variable
Valor inicial
Masa
0.940 Kg
Diámetro
1.56 cm
Longitud
60.9 cm
Preparación de la maquinaria y equipo a utilizar
Calentamiento de la máquina de ensayos
Por motivo del poco tiempo disponible se encendió la máquina de ensayos 5 min antes de comenzar el ensayo, en ese tiempo se aprovechó a realizar otras calibraciones.
Ajuste del dial
Para una fácil lectura de los valores del dial analógico se ajustó para que tuviese una separación de 40,000 kgf (kilogramos-fuerza) entre cada una de las marcas del dial circular.
ajuste de la velocidad de carga
Por medio de las válvulas de carga y descarga se ajustó la velocidad con la que aumentaría la fuerza aplicada a la probeta, para nuestro ensayo se ajustaron las válvulas a 20 medidas de abertura y eso nos dio una velocidad de carga de 5.30 milímetros por minuto de avance con respecto al dial circular.
Montaje de la probeta y sus accesorios
Se desliza la probeta por debajo de la prensa hidráulica, posteriormente se fija a las mordazas mediante las manivelas de seguridad.
Ajuste de las manivelas de seguridad
Se realizan marcas a la probeta con un objeto cortante.
El extensómetro es colocado entre las muescas hechas previamente.
Acoplado del extensómetro a la probeta
Variables de operación
Tiempo Transcurrido.
Hay que verificar los límites permisibles para el tiempo transcurrido desde el comienzo de la aplicación de la fuerza (o de alguna tensión especificada) para el instante de la fractura, en la mayor fuerza, o en algún otro tipo de esfuerzo, se especificarán en minutos o segundos. El tiempo transcurrido puede ser determinado con un cronometro.
Velocidad de la cruceta
Los límites para la velocidad de movimiento de la cruceta de la prueba máquina y fuerza aplicada por la máquina de ensayo, será especificadas en mm por mm [pulgadas] por pulgada de longitud de reducida) por segundo [minutos]. La media velocidad de la cruceta se puede determinar experimentalmente mediante el uso de adecuados de medición de longitudes y dispositivos de regulación.
Carga aplicada
Por medio de la regulación de la presión en la máquina de ensayos se puede controlar la carga que es soportada por nuestra probeta, dicho esfuerzo será medido en Mega pascales (MPa).
Resumen del proceso de realización del ensayo
Gracias a la asistencia del operador del laboratorio de Ing. Civil el ensayo de tracción se realizó sin mayores contratiempos, lo primero fue verificar los instrumentos a utilizar a lo largo del ensayo, se preparó la probeta esmerilándola de los extremos, posterior a esto se realizaron muescas en ella que sirvieron como referencia para conocer el valor de la elongación de la probeta, se anotaron los datos iniciales sobre ella (longitud, peso y diámetro); el operador del laboratorio explicó la lectura del extensómetro y comento como realizar las conversiones para la deformación real, se encendió la máquina de ensayos y en lapso en el que esta calentaba se asignaron nuestros roles dentro del ensayo, una persona fue asignada a la lectura del dial eléctrico (el que indica la carga aplicada), dos más se asignaron a la lectura del extensómetro y uno a anotar los datos obtenidos, se dio inicio al ensayo para cada valor del dial se tomó un valor en el extensómetro, cuando la aguja del mismo comenzó a avanzar muy rápido concluimos que la probeta entro en estado de fluencia se anotaron un par de puntos más y se retiró el extensómetro (para evitar que la ruptura lo dañara) ; con los últimos datos obtenidos se consigo el esfuerzo de ruptura debido a que poco después de retirar el extensómetro la probeta se fracturo, se retiró la probeta de la máquina de ensayos y se analizaron los datos finales de esta (diámetro y longitud) , para fines educativos grabamos todo el proceso del ensayo y se puede visualizar en la siguiente dirección web.
https://www.youtube.com/watch?v=LNuSJYpvqi4
Resultados.
Datos obtenidos del ensayo
Tabla No 1:
Fuerza aplicada (Kg fuerza)
L (x10^-3 pulg)
0
0
1000
1
2000
3
3000
4
4000
6
5000
8
6000
9
7000
10
8000
12
9000
16
10000
26
10600
60
11000
112
11300
250
7600
310
Datos finales de la probeta.
Lf=0.629 m
Øf=0.0101 m
Af= 8.011847x10 ^5 m
L= 0.02 m
Ø= 0.0055 m
Tabulación de los datos y gráficos.
Usando los datos de la tabla 1 para el cálculo de los esfuerzos y de las deformaciones unitarias:
F (Kg fuerza)
F (Newton)
L (x10^-3 pulg)
ɛ (pulg/pulg)
σ (Pa)
0
0
0
0
0
1000
9800
1
0.000127
51272795.6
2000
19600
3
0.000381
102545591.2
3000
29400
4
0.000508
153818386.8
4000
39200
6
0.000762
205091182.4
5000
49000
8
0.001016
256363978
6000
58800
9
0.001143
307636773.6
7000
68600
10
0.00127
358909569.2
8000
78400
12
0.001524
410182364.8
9000
88200
16
0.002032
461455160.4
10000
98000
26
0.003302
512727956
10600
103880
60
0.00762
543491633.4
11000
107800
112
0.014224
564000751.7
11300
110740
250
0.03175
579382590.3
7600
74480
310
0.03937
389673246.6
Tabla No 2:
F (Kg fuerza)
F (Newton)
L (x10^-3 pulg)
ɛ (pulg/pulg)
σ (Pa)
σ (MPa)
0
0
0
0
0
0
1000
9800
1
0.000127
51272795.6
51.2727956
2000
19600
3
0.000381
102545591.2
102.5455912
3000
29400
4
0.000508
153818386.8
153.8183868
4000
39200
6
0.000762
205091182.4
205.0911824
5000
49000
8
0.001016
256363978
256.363978
6000
58800
9
0.001143
307636773.6
307.6367736
7000
68600
10
0.00127
358909569.2
358.9095692
8000
78400
12
0.001524
410182364.8
410.1823648
9000
88200
16
0.002032
461455160.4
461.4551604
10000
98000
26
0.003302
512727956
512.727956
10600
103880
60
0.00762
543491633.4
543.4916334
11000
107800
112
0.014224
564000751.7
564.0007517
11300
110740
250
0.03175
579382590.3
579.3825903
7600
74480
310
0.03937
389673246.6
389.6732466
*Los valores marcados son puntos clave del ensayo.
Diagrama Fuerza-Desplazamiento
Tabla No 3:
Desplazamiento (x10^-5 m)
Fuerza (N)
0
0
0.32258
9800
0.96774
19600
1.29032
29400
1.93548
39200
2.58064
49000
2.90322
58800
3.2258
68600
3.87096
78400
5.16128
88200
8.38708
98000
19.3548
103880
36.12896
107800
80.645
110740
99.9998
74480
Grafico No 1
Diagrama Esfuerzo-Deformación unitaria Tabla No 4: Grafico No 2:
ɛ (x10^-3 pulg/pulg)
σ (MPa)
0
0
0.127
51.2727956
0.381
102.5455912
0.508
153.8183868
0.762
205.0911824
1.016
256.363978
1.143
307.6367736
1.27
358.9095692
1.524
410.1823648
2.032
461.4551604
3.302
512.727956
7.62
543.4916334
14.224
564.0007517
31.75
579.3825903
39.37
389.6732466
Calculo de los parámetros o variables
Porcentajes
Porcentaje de alargamiento
% de alargamiento =0.629-0.6090.609(100%)=3.284%
Porcentaje de reducción de área
% de reducción de área: =1.56-1.011.56(100%)=35.256%
Esfuerzos
Para el cálculo del esfuerzo de fluencia se utiliza el método del 0.2%:
Grafico No 3:
De este procedimiento se puede concluir que el esfuerzo de fluencia es de 520 MPa.
En el Grafico No 3 se pueden observar ciertos valores de esfuerzos que se buscaban determinar. Los valores de carga y de deformación unitaria de dichos esfuerzos se pueden tomaran de la Tabla No 2.
Esfuerzo de fluencia calculado por el método el 0.2%:
σy=520 MPa
Esfuerzo de fluencia sugerido por el técnico encargado del ensayo:
σy=543.5 MPa
Esfuerzo del límite de proporcionalidad:
σLimite de prop=410 MPa
Esfuerzo ultimo:
σu=579.38 MPa
Esfuerzo de ruptura:
σruptura=389.67 MPa
Cargas
Carga de fluencia calculada por el método el 0.2%:
Fy=σyA=520×106×(π4×0.01562)=99389.94 N
Carga de fluencia sugerido por el técnico encargado del ensayo:
Fy=σyA=543.5×106×(π4×0.01562)=103880 N
Carga del límite de proporcionalidad:
FLimite de prop=78400 N
Carga ultima:
Fu=110740 N
Carga de ruptura:
Fruptura=74480 N
Parámetros
Módulo de resiliencia:
Ur= 12×520×106×4×10-3=1.04×106 J/m^2
Módulo de elasticidad (módulo de Young):
E= σ ε 270 GPa
Módulo de rigidez:
K=EAL=(270×109)(π4×0.01562)0.609=86.739 kN/m
Coeficiente de Poisson:
Debido a que se sobrepasó el límite elástico y se dio el fenómeno de la estricción el coeficiente de Poisson no puede ser determinado.
Propiedades del materia ensayado
Ductilidad (porcentaje de elongación y porcentaje de reducción de área).
A partir de los resultados se puede concluir que el material es dúctil ya que posee un alto porcentaje de reducción de área y esto es característico de las fallas dúctiles.
Elasticidad (Módulo de Young).
El módulo de Young resultó estar por muy encima del valor de referencia aproximadamente 130% de lo que debería dar según la teoría. Independientemente de eso el valor indica que es un material que puede sufrir grandes esfuerzos con deformaciones relativamente pequeñas siempre y cuando se encuentre en el rango lineal.
Dureza.
Ya que el material resultó ser dúctil se puede afirmar que debe ser blando y por lo tanto de baja dureza.
Rigidez (Módulo de rigidez).
La rigidez es proporcional al Módulo de Young y por lo tanto es correcto afirmar que posee una alta rigidez.
ANÁLISIS
Se contrastará los resultados obtenido a partir del ensayo respecto a los parámetros y propiedades de referencia del material SAE1020.
Valor de referencia
Valor experimental
Módulo de Young
210 GPa
270 GPa
Esfuerzo de fluencia
370 MPa
520 MPa (criterio de 0.2%)
% de alargamiento
15
3.284
% de reducción de área
40
35.256
Se observan discrepancias entre los valores de referencia y entre los valores experimentales. La causa principal de estas fue que la fractura de la probeta, se dio fuera de la longitud base, y por tanto, las deformaciones fueron parcialmente producidas fuera de esta, creando cierta inexactitud en los resultados. Sin embargo estos siguen siendo representativos, sobre todo el porcentaje de reducción de área (el cual no fue afectado por el fenómeno de fractura fuera de la longitud base, pues es independiente de la ubicación de esta) comprobándose a través de este dato que las propiedades de un material especifico son constantes.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
Se concluye que el acero de bajo contenido de carbono SAE1020 es un tipo de acero al carbono con un contenido que ronda el 0.20% de carbono (entre 0.18% y 0.22%) y no esta aleado a ningún otro material.
Se concluye, para el material y sus valores teóricos, que el límite de fluencia es 370 MPa y el módulo de elasticidad es de 210 GPa. Por otro lado los valores experimentales para estos parámetros fueron: el módulo de elasticidad con 270
Se concluye que para el ensayo de tracción en metales la temperatura debe permanecer constante para evitar deformaciones adicionales. Además esta debe estar entre los 10 y 38 °C
Se concluye que las dimensiones de la probeta cilíndrica a usar son 60 cm de longitud base con 5/8 pulg de diámetro bajo la norma A 370 (disposiciones del laboratorio de la Escuela de Ing. Civil de la UES).
Se concluye que las variables de operación de la máquina universal de ensayos a tomar en cuenta son: tiempo transcurrido, velocidad de cruceta, y carga aplicada.
El porcentaje de reducción de área fue el parámetro experimental más cercano al de referencia con un 11% de diferencia entre ello.
Las propiedades de los materiales varían ligeramente de una muestra a otra dependiendo de su pureza y homogeneidad de la composición, sin embargo estas variaciones son pequeñas y en general tienden a valores constantes que son los que podemos obtener de fuentes bibliográficas
Se concluye que gracias que las propiedades de los materiales son constantes es posible predecir el comportamientos de estos en estructuras, artículos y máquinas haciendo posible el diseño y construcción en la ingeniería
Recomendaciones
Se recomienda escoger un diámetro de 5/8 plg ó 3/4 plg para la probeta
Antes de proceder a aplicar la carga, hay que verificar el montaje de la probeta en las mordazas de modo que esta quede centrada entre estas.
Se recomienda ver un video del ensayo de tracción antes de presenciar este, de esta forma se saben las precauciones a tomar y los fenómenos que ocurrirán
Al realizar un ensayo con una máquina universal de ensayos y extensómetro como instrumentos principales, se recomienda grabar en video estos instrumentos para poder analizar de forma precisa y coordinada los datos arrojados por el experimento
BIBLIOGRAFIA
ASTM E8 / E8M-15a, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015, www.astm.org
Ferdinard P. Beer, E. Russell Johnston, John T. DeWolf, Mazurek F. David. (2012). Mecánica de Materiales. 3ra edición. México. Mc Graw Hill. p. 54-55.
Castillo, R. (2008). Materiales y sus propiedades. (En linea). Consultado el 10 de abril de 2016. Disponible en: http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_mec/m1/materiales_1.pdf
SUMITEC (2009). Acero Grado Maquinaria. (En linea). Consultado el 10 de abril de 2016. Disponible en: http://www.sumiteccr.com/Aplicaciones/Articulos/pdfs/AISI%201020.pdf
Mendoza, J. , Suárez, A. (2006). Tracción en metales. (En línea). Consultado el 11 de abril de 2016. Disponible en: http://www.monografias.com/trabajos38/traccion-en-metales/traccion-en-metales.shtml
Univerisdad Politécnica de Valencia (2004). Unidad 2: Características mecánicas de los materiales. (En linea). Consultado el 11 de abril de 2016. Disponieble en: http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm02/fcm2_2.html
Ingemecánica.com. (2010). Estudio y clasificación de los aceros. (En línea). Consultado el 12 de abril de 2016. Disponible en: http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn101.html
GLOSARIO TÉCNICO
A
Alargamiento: deformación de un material debido a la aplicación de una fuerza.
C
Coeficiente de Poisson: Relación entre la deformación lateral y la correspondiente deformación longitudinal, en un cuerpo elástico sometido a un esfuerzo longitudinal.
D
Deformación permanente: Cambio en la longitud de un material plástico después de retirar la fuerza que ha producido su deformación.
Deformación: Es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo o la ocurrencia de dilatación térmica.
Deformación unitaria por tracción: Elongación de un material producido por un esfuerzo de tracción.
Deformación unitaria: Cualquier cambio en la forma o apariencia de un cuerpo o material al ser sometido a una fuerza exterior.
Ductilidad: capacidad para absorber cargas. Se mide por el porcentaje de alargamiento que sufre el material.
E
Extensómetro: Instrumento de precisión con el cual se miden las deformaciones de las piezas sometidas a esfuerzos de tracción o de compresión, diferencias de dilatación de los ensayos de metales, etc.
Estricción: Adelgazamiento limitado a un área de una barra metálica sometida a grandes esfuerzos de tracción, justo antes de romperse en ese punto si se hubiera continuado estirándola.
F
Fatiga: Progresivo cambio estructural o rotura en un área localizada de un material que está sometido a la acción de fuerzas cíclicas repetidas por debajo de su resistencia a la tracción.
Fractura: Se puede definir a la Fractura como la culminación del proceso de deformación plástica. En general, se manifiesta como la separación o fragmentación de un cuerpo sólido en dos o más partes bajo la acción de un dado estado de cargas.
M
Mordaza: Una mordaza es una herramienta que mediante un mecanismo de husillo o de otro tipo permite sujetar por fricción una pieza presionándola en forma continua. Se utiliza en procesos de fabricación y reparación.
Módulo de elasticidad: Relación entre la fatiga unitaria y la correspondiente deformación unitaria en un material sometido a un esfuerzo que está por debajo del límite de elasticidad del material. También llamado coeficiente de elasticidad, módulo de Young, módulo elástico.
Maleabilidad: es la propiedad de un material duro de adquirir una deformación mediante una descompresión sin romperse.
R
Resistencia de rotura: Tracción, compresión o esfuerzo de cizalladura que puede resistir un material sin romperse. También llamada carga unitaria de rotura.
Resilencia: energía de deformación (por unidad de volumen) que puede ser recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la deformación.
T
Tracción: Se denomina tracción al esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo.
σ-ɛ
Deformaciones unitarias(x10^-3 )
Esfuerzos (mpa)
