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ENSAYO DE TRACCION DE MATERIALES (NOV 2009) Rubén Darío Martínez Martínez cód.: 0743073----Julián 0743073----Julián Andrés Neira Neira cód.: 0930307---Andrés 0930307---Andrés Felipe Mosquera Marín Marín cod: 0834982 0834982 ---Jhon Pablo Hincapié Hincapié cód.: 0844988-0844988--Orrego Gonzalez Alejandro cod 0643416
Abstract —
Real Realiz izar ar los los ensa ensayo yoss de comp compre resi sión ón en difere diferente ntess materi materiale aless y obtene obtenerr sus caract caracterí erísti sticas cas y propiedades des mecáni niccas, así como obse bservar el comportamiento esfuerzo- deformación en cada material es funda fundame ment ntal al en el mo mome ment ntoo de anal analiz izar ar el tipo tipo de materiales que usaremos para el diseño de una estructura mecánica. Para el labor boratorio anal nalizamos el comportamiento de una varilla varilla de acero y una probeta de madera.
I. INTRODUCTION En el siguiente laboratorio vamos a experimentar con fuerzas aplicadas por medio de una maquina universal sobre una probeta de acero 1020 y otra de madera. Muchos materiales cuando están en servicio están sujetos a fuerzas o cargas. En tales condiciones es necesario conocer las características del material para diseñar el instrumento donde va a usarse de tal forma que los esfuerzos a los que vaya a estar sometido no sean excesivos y el material no se fracture. El comportamiento mecánico de un material es el reflejo de la relación entre su respuesta o deformación ante una fuerza o carga aplicada. Es por esto que nos dimos a la tarea de hacer un análisis profundo acerca de una serie de propiedades físicas de los materiales mencionados, teniendo en cuenta unos protocolos que que se usan usan para para este este ti tipo po de expe experi rime ment ntos os y algu alguno noss conc conceepto ptos bási ásicos cos que que nos nos llevar evaría íann a det determ ermina inar experimentalmente algunas propiedades ya establecidas para estos materiales. II.
MARCO TEORICO
Para tener una mejor comprensión acerca de lo que se va a experimentar se hace necesario tener en cuenta unos conceptos básicos como son: Tensión. Tensión. Consideremos una varilla cilíndrica de longitud lo y una sección transversal de área Ao sometida a una fuerza de tensión uniaxial F, como se muestra en la figura 1.
Figura 1.a) Barra Figura Barra antes antes de aplica aplicarle rle la fuerz fuerzaa b) Barra Barra sometida a una fuerza de tensión uniaxial F que alarga la barra de longitud lo a l. Por definició definición, n, la tensión tensión s en la barra es igual al cociente cociente entre la fuerza de tensión uniaxial media F y la sección transversal original Ao de la barra.
Deformación o alargamiento: alargamiento: Cuando se aplica a una barra una fuerza de tensión uniaxial, tal como se muestra en la figu figura ra 1, se prod produc ucee una una elon elonga gaci ción ón de la vari varill llaa en la dire direcc cció iónn de la fuer fuerza za.. Tal Tal desp despla laza zami mien ento to se llam llamaa deformación. deformación. Por definición, la deformación originada por la acción de una fuerza de tensión uniaxial sobre una muestra metálica, es el cociente entre el cambio de longitud de la muestra en la dirección de la fuerza y la longitud original.
Donde: L es la longitud después de la acción de la fuerza lo es la longitud inicial de la pieza
> Laboratorio de materiales…profesor materiales…profesor Yesid Aguilar) < Normalmente la deformación se determina mediante el uso de una pequeña longitud, normalmente de 2 pulgadas, que se denomina longitud de calibración, dentro de una muestra más larga, por ejemplo de 8 pulgadas. Como puede deducirse deducirse de la fórmula, fórmula, la deformaci deformación ón es una magnitud adimensional. En la práctica, es común convertir la deformación en un porcentaje de deformación o porcentaje de elongación: % deformación = deformación ´100% = % elongación
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Figura 2. Muestra típica de sección circular para el ensayo de tensión - deformación
Deformación elástica y plástica: Cuando una pieza se somete a una fuerza de tensión uniaxial, se produce una deformación del material. Si el material vuelve a sus dimensiones originales cuando la fuerza cesa se dice que el material ha sufrido una DEFORMACIÓN ELASTICA. El número de deformaciones elásticas en un material es limitado ya que aquí los átomos del material son desplazados de su posición original, pero no hasta el extremo de que tomen nuevas posiciones fijas. Así cuando la fuerza cesa, los átomos vuelven a sus posiciones originales y el material adquiere su forma original. Si el material es deformado hasta el punto que los átomos no pueden recuperar sus posiciones originales, se dice que ha experimentado una DEFORMACIÓN PLASTICA. Ensayo de tensión i diagrama de tensión – deformación: El ensayo de tensión se utiliza para evaluar varias propiedades mecánicas de los materiales que son importantes en el diseño, dentro de las cuales se destaca la resistencia, en particular, de metales y aleaciones. En este ensayo la muestra se deforma usualmente hasta la fractu fractura ra increm increment entand andoo gradua gradualme lmente nte una tensió tensiónn que se aplica uniaxialmente a lo largo del eje longitudinal de la muestra. Las muestras normalmente tienen sección transversal circular, aunque también se usan especimenes rectangulares. (Figura 2). Durante la tensión, la deformación se concentra en la regió regiónn centra centrall más estrecha estrecha,, la cual cual tiene tiene una secció secciónn transversal uniforme a lo largo de su longitud. La muestra se sost sostie iene ne por por sus sus extr extrem emos os en la máqu máquin inaa por por medi medioo de soportes o mordazas que a su vez someten la muestra a tensión a una velocidad constante. La máquina al mismo tiempo mide la carga aplicada instantáneamente y la elongación resultante (usa usando ndo un exte xtensi nsióm ómeetro) tro).. Un ens ensayo ayo de tens ensión ión normalmente dura pocos minutos y es un ensayo destructivo, ya que que la mu mues estr traa es defo deform rmad adaa perm perman anen ente teme ment ntee y usualmente fracturada.
Figura 3. Ensayo tensión – deformación Sobre un papel de registro, se consignan los datos de la fuerza (carga) aplicada a la muestra que está siendo ensayada así como la deformación que se puede obtener a partir de la señal de un exte extens nsió ióme metr tro. o. Los Los dato datoss de la fuer fuerza za pued pueden en convertirse en datos de tensión y así construirse una gráfica tensión – deformación, como la que se observa en la figura 4.
Figura 4. Gráfica típica tensión vs deformación Las Las prop propie ieda dade dess mecá mecáni nica cass que que son son de impo import rtan anci ciaa en ingeni ing enier ería ía y que pueden pueden deduci deducirse rse del ensayo ensayo tensi tensión ón – deformación son las siguientes: 1. Módulo de elasticidad
> Laboratorio de materiales…profesor materiales…profesor Yesid Aguilar) < 2. Límite elástico a 0.2% 3. Resistencia máxima a la tensión 4. Porcentaje de elongación a la fractura 5. Porcentaje de reducción en el área de fractura
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Debe aclararse que el 0.2% se elige arbitrariamente y podría habers habersee elegid elegidoo otra otra cantid cantidad ad pequeñ pequeñaa de deform deformaci ación ón permanente.
1. Módulo de elasticidad: En la primera parte del ensayo de tensión, el material se deforma elásticamente, elásticamente, o sea que si se elimina la carta sobre la muestra, volverá a su longitud inicial. Para metales, la máxima deformación elástica es usualmente menor a un 0.5%. En general, los metales y aleaciones muestran una relación lineal entre la tensión y la deformación en la región elástica en un diagrama tensión – deformación que se describe mediante la ley de Hooke:
donde, E es el módulo de elasticidad o módulo de Young s es el esfuerzo o tensión x es la deformación El módulo de Young tiene una íntima relación con la fuerza de enlace entre los átomos en un material. Los materiales con un Figura 5. Obtención del límite elástico al 0.2% módu mó dulo lo elás elásti tico co alto alto son son rela relati tiva vame ment ntee rígi rígido doss y no se deforman fácilmente. Nótes Nótesee que en la región región elásti elástica ca del diagra diagrama ma tensi tensión ón – 3. Resistencia máxima a la tensión deformación el módulo de elasticidad no cambia al aumentar la tensión La resistencia máxima a la tensión es la tensión máxima alcanzada en la curva de tensión – deformación. Si la muestra desarr desarroll ollaa un decrec decrecimi imient entoo local localiza izado do en su secció secciónn (un 2. Límite elástico: estrangulamiento de su sección antes de la rotura), la tensión decrecerá al aumentar la deformación hasta que ocurra la Es la tensió tensiónn a la cual cual un materi material al muestr muestraa deform deformaci ación ón fractura puesto que la tensión se determina usando la sección plástica significativa. Debido a que no hay un punto definido inicial de la muestra. Mientras más dúctil sea el metal, mayor en la curv curvaa de tens tensió iónn – defo deform rmac ació iónn dond dondee acab acabee la será será el decrec decrecimi imient entoo en la tensió tensiónn en la curva curva tensió tensiónndeformación elástica y se presente la deformación plástica se deformación después de la tensión máxima. elig eligee el lí lími mite te elás elásti tico co cuan cuando do ti tien enee luga lugarr un 0.2% 0.2% de La resistencia máxima a la tensión de un material se determina deformación plástica, como se indica en la figura 4. dibujando una línea horizontal desde el punto máximo de la curva tensión – deformación hasta el eje de las tensiones (punto TS en la figura 5). La tensión a la que la línea intercepta al eje de tensión se denomina resistencia máxima a El límite elástico al 0.2% también se denomina esfuerzo de la tensión, o a veces simplemente resistencia a la tensión o fluencia convencional a 0.2%. tensión de fractura. Para determinarlo se procede así: Inicialmente se dibuja una línea paralela a la parte elástica (lineal) de la gráfica tensión – deformación a una deformación de 0.002 (m/m ó pulga/pulga). 4. Porcentaje de elongación (estiramiento): (estiramiento): En el punto donde la línea intercepta con la parte superior de la curva tensión – La cantidad de elongación que presenta una muestra bajo Deformación, se dibuja una línea horizontal hasta el eje de tens tensió iónn dura durant ntee un ensa ensayo yo prop propor orci cion onaa un valo valorr de la tensión. ductilidad de un material. La ductilidad de los materiales El esfuerzo de fluencia convencional a un 0.2% es la tensión a comúnmente se expresa como porcentaje de la elongación, la que la línea horizontal intercepta con el eje de tensión.
> Laboratorio de materiales…profesor materiales…profesor Yesid Aguilar) < comenzando con una longitud de calibración usualmente de 2 pul pulga gass (5,1 (5,1 cm). cm). En gene genera ral, l, a mayo mayorr duct ductil ilid idad ad (más (más deform deformabl ablee es el metal) metal),, mayor mayor será será el porcen porcentaj tajee de la elongación. El porcentaje de elongación de una muestra después de la fractu fractura ra puede puede medirs medirsee jun juntan tando do la muestr muestraa fract fractura urada da y midiendo longitud final con un calibrador. El porcentaje de elongación puede calcularse mediante la ecuación:
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Donde F es la fuerza uniaxial media sobre la muestra de ensayo Ai es el área de muestra de sección mínima en un instante
Donde lo es la longitud de calibración de la muestra Li es la longitud entre las calibraciones durante el ensayo
Este valor es importante en ingeniería no solo porque es una medida de la ductilidad del material, sino también porque da una idea acerca de la calidad del mismo. En caso de que haya porosidad o inclusiones en el material o si ha ocurrido algún daño por un sobrecal sobrecalentam entamiento iento del mismo, mismo, el porcentaj porcentajee de elongación de la muestra puede decrecer por debajo de lo normal
5. Porcentaje de reducción en área: Este parámetro también da una idea acerca de la ductilidad del mater material ial.. Esta Esta cantid cantidad ad se obt obtien ienee del ensayo ensayo de tensió tensiónn utilizando una muestra de 0.5 pulgadas (12.7mm) de diámetro. Después de la prueba, se mide el diámetro de la sección al fracturar. Utilizando Utilizando la medida de los diámetros inicial y final, puede determinarse el porcentaje de reducción en el área a partir de la ecuación:
Tensión real – Deformación real La tensión se calcula dividiendo la fuerza aplicada F sobre una muestra a la que se aplica un ensayo de tensión por el área inicial Ao. Puesto que el área de la sección de la muestra bajo el ensayo cambia continuamente durante el ensayo de tensión, el cálculo de esta no es preciso. Durante el ensayo de tensión, después de que ocurra el estrangulamiento de la muestra, la tensión decrece al aumentar la deformación, llegando a una tensión máxima en la curva de tensión – deformación. Por ello, una vez que comienza el estrangulamiento durante el ensayo de tensión, la tensión real es mayor que tensión en ingeniería. Es posible definir la tensión real y la deformación real como sigue:
Si asum asumim imos os un volu volume menn cons consta tant ntee de la long longit itud ud de calibración por la sección de la muestra durante el ensayo entonces:
Los ingeniero ingenieross normalme normalmente nte no util utilizan izan cálculos basados en tensión real, en su lugar se utiliza el esfuerzo de fluencia conven convencio cional nal al 0,2% 0,2% para para diseño diseñoss de estruc estructur turaa con los fact factor ores es de segu seguri rida dadd apro apropi piad ados os.. En inve invest stig igac ació iónn de materiales, algunas veces puede ser útil conocer la curva de tensión real – deformación real. FOTOGRAFIA DE LAS MUESTRAS LUEGO DE LA RUPTURA.
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III.
PROCEDIMIENTO Desarrollo del laboratorio para la varilla . -Varilla de acero 1020 lisa con corrosión de diámetro 6.6mm y de longitud 15 cm. -Probeta de madera tipo tipo hueso con las especificaciones especificaciones de la guía. Procedimientos seguidos para la prueba en la varilla de acero. acero. Nota: La varilla de acero se encontraba con la superficie cubierta de corrosión.
Primero se tomaron las medidas de diámetro de la varilla, luego se instalo la varilla en la maquina y se tomo la medida inicial. Después de esto se procedió a calibrar la velocidad en la maquina universal de 10 m-pul, velocidad con la cual se iba ha ejercer la fuerza. Datos iníciales. •
Largo 65 mm.
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Diámetro 6.2mm.
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Velocidad de la maquina V=8mm/min
Terminado esto se procedió procedió a distribuir las labores dentro de los integrantes del grupo, Una persona se encargo encargo de mirar el indicador de estiramiento, otro del indicador de fuerza y otro de anotar los datos. Desarrollo del laboratorio . Los datos para esta prueba fueron tomados cada 5 milésimas de milímetro, donde cada 5 milésimas de milímetro se tomaba la fuerza que estaba determinada en newton. Se tomaron tomaron 36 de valores de la fuerza ejercida ejercida donde pudimos notar que existió un máximo y que durante un tiempo el estiramiento de la varilla se comporto como elástico y luego como plástico. Después de terminar la prueba se midió cuanto se había estirado la varilla, su diámetro en el cuello, cuello, el cual tuvo tuvo en valor de 5,1 mm.
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El ensayo de tracción tracción para la madera consistió consistió en someter una madera madera conseg conseguid uidaa por nosotr nosotros os los estudi estudiant antes es de tercer tercer semest semestre re de ing ingeni enierí eríaa mecáni mecánica ca a un esfuer esfuerzo zo axial axial de tracción hasta el momentos momentos en que dicho dicho material presentara rotu rotura ra.. El obje objeti tivo vo del del ensa ensayo yo con con la made madera ra cons consis isti tióó determinar la resistencia de dicho material a la fuerza estática aplicada lentamente, analizar los modulo de elasticidad, los coeficientes y hasta hasta los limites. limites. Estas magnitudes magnitudes presentan una velocidad de aplicación la cual se especifica mas adelante. PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO que se llevo cabo Ante Antess de some somete terr dich dichaa carg cargaa en la máqu máquin inaa univ univer ersa sal, l, determinamos las dimensiones iniciales, 17cm de largo x 2 cm de ancho. ancho. Enseguida Enseguida y después después de cerciorar cerciorarse se el monitor de que las superficies de los extremos de las probeta así como las caras de los bloques de apoyo estén completamente libres de grasa, aceite o cualquier otra clase de partículas que pudieran influir en la restricción friccionar de las superficies de los extremos, se coloca la probeta en la máquina, el monitor tubo mucho cuidado para lograr el centrado, la alineación de la probeta de madera y de los platos de apoyo (o de compresión) en la máquina, se bajó el cabezal fijo de la máquina hasta hizo contac contacto to con los platos platos de apoyo y en seguid seguidaa tom tomamo amoss lectur lecturas as de carga carga contra contra deform deformaci ación ón o despla desplazam zamien iento to medido por el (extensómetro desplazamiento) y se procedió a aplicar la carga con una velocidad conveniente al material de que se trate, en este caso madera.
Análisis de práctica en el laboratorio. Para realizar la tracción con la madera tuvimos en cuenta que la prac practi tica ca y el mate materi rial al cump cumpli lier eraa con con las las sigu siguie ient ntes es características: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
La Mad Mader eraa fues fuesee homo homogé géne nea. a. La carg cargaa se aplica aplicara ra axia axialme lmente nte.. La secc sección ión long longitu itudin dinal al sea sea una una recta recta.. Que se se compor comporte te puram purament entee de trac tracció ción. n. La veloci velocidad dad fuese fuese consta constante nte.. Los extremos extremos de compre compresión sión de la probeta probeta debían debían ser planos.
Datos finales. •
Largo 66.899 mm.
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Diámetro 4.22mm.
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Velocidad de la maquina V=8mm/min
Desarrollo del laboratorio para la madera
Fallas Desafortunadamente ya en la realización de la practica la condición número 3 y numero 6 no fueron los ideales. Se comenta esta observación debido a que en el momento de la practica la probeta de madera presento rotura en la parte
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Velocidad de la maquina V=5mm/pul
Datos finales.
La madera que conseguimos para esta práctica no fue precisamente de pino tipo hueso como se especificaba en la guía, (eso se debe a la deshonestidad del carpintero quien vendió dicha madera). Investigando descubrimos que la madera que nos vendieron se llama Eucalipto la cual se caracteriza por se una madera blanda y liviana. Usada en la construcción para trabajos de tiranteña, techos y encofrados. Es por ello que la practica presento fallas porque el material no resistió demasiado al tracción y presento una rotura en le lugar donde va sujeto los platos o las mordazas de la maquina universal. En dicha práctica la madera presento una fractura.
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Largo 17.199 cm.
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Ancho 0.49 cm.
Para los materiales como estos en muy complejo observar este fenómeno, la carga última o máxima que se aplico a la probeta se hizo a criterio del monitor que realizaba el ensayo y es por ello que las medidas se realizaron a la mitad de la escala sugerida. En La figura .1 y fractura 2 se muestra la fractura. IV.
PROCEDIMIENTO
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Análisis para acero y madera Lo=65mm , V=8mm/min , D=6.2mm , A=30.2 mm²
Datos iníciales. •
Largo 17 cm.
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Ancho 0.5 cm.
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σfl= 486.42 Mpa , σmax= 515.23 Mpa , σultimo= 325.17 Mpa E= 75.92 mpa εf= 9.75% Los datos de arriba arri ba son los obtenidos obtenid os del experiment experimen to DATOS BAJADOS DE UNA PÁGINA: σfl= 205 Mpa , σmax= 380 Mpa , E= 205 Gpa εf= 25% datos por la ASI-SAE 1020 (UNS G10200) V. CONCLUSION El ensayo de tracción tracción para la varilla varilla y la madera consistió en some somete terr esto estoss mate materi rial ales es cons conseg egui uida da por por noso nosotr tros os los los estudiantes de tercer semestre de ingeniería mecánica a un esfuerzo axial de tracción hasta el momento en que dicho material material presentar presentaraa rotura. El objetivo objetivo del ensayo ensayo con los materi materiale aless consis consistió tió deter determin minar ar la resist resistenc encia ia de dicho dicho materiales a la fuerza estática aplicada lentamente, analizar los modulo de elasticidad, los coeficientes y hasta los limites. R EFERENCIAS EFERENCIAS CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES. - 3ED.LIBROS/MONOGRAFIAS AUTOR (ES) ASKELAND , DONALD R. (AUTOR ) PUBLICACIÓN MÉXICO : INTERNATIONAL THOMSON, 1998 DESCRIPCIÓN FÍSICA 790P.
