Informe 2 - Ensayos de Tracción

“AÑO DE LA UNIÓN NACIONAL FRENTE A LA CRISIS EXTERNA”

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Laboratorio De Ciencia De Los Materiales

INFORME Nº 2

ENSAYOS DE TRACCIÓN

Curso: Ciencia De Los Materiales // MC112-E

Profesor: Ing. José Luis Sosa

Integrantes:

2009-II

ENSAYO DE TRACCIÓN INFORME Nº2 Laboratorio de Ciencia de los Materiales

OBJETIVOS   

Obtener la gráfica experimental Carga vs. Deformación. Obtener, a partir de la gráfica anterior, las gráficas Esfuerzo vs. Deformación de Ingeniería. Determinar la resistencia mecánica a la tracción de los materiales ensayados a partir de las gráficas y los datos recogidos.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO UTILIZADO Equipo Amsler:  Marca: Alfred J. Amsler y CIA. Schaffhausen, Suiza (46/224)  Ensayo de tracción, compresión y flexión simple con maquina Universal de Amsler de capacidad hasta 50 tn.  Motorizada.  Mide las tensiones de rotura.  Puede realizar la gráfica

del material con que se trabaje (cobre, bronce, aluminio,

etc.).

Figura 1. Equipo Amsler del Laboratorio Nº4 de la Facultad.

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DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO Antes de comenzar con el ensayo de tracción, es indispensable tomar las medidas respectivas (diámetro y largo inicial) de la probeta a ensayar. Para esta operación debemos utilizar correctamente el Pie de Rey, el cual, en estas circunstancias, se convierte en un instrumento de vital importancia.

Figura 2. Pie De Rey. |Figura 3. Detalle de las unidades milimetradas del Pie De Rey.

Para tomar las medidas de la probeta utilizaremos las medidas del Sistema Internacional (SI), por lo cual expresaremos nuestras medidas en milímetros. Debemos ser muy cuidadosos en esta parte del ensayo, ya que estos valores los compararemos con los finales para poder calcular las propiedades del material.

Figura 4. Medición de las dimensiones de una probeta por parte del profesor.


ENSAYO DE TRACCIÓN INFORME Nº2 Laboratorio de Ciencia de los Materiales Luego de medir todas y cada una de las probetas, iniciamos el ensayo de tracción en sí. 1. Sujetamos la probeta a la máquina universal por medio de unos adaptadores. Utilizamos ese aparato porque nuestras probetas eran cortas de tamaño. 2. Aplicamos una pequeña carga hasta ver que el movimiento de la aguja es inminente. Después, graduamos el indicador de carga en cero. 3. Aplicamos de manera continua y lenta la carga, que en este caso tiene un máximo de 3000 Kg, y, simultáneamente, tomamos lectura del indicador. 4. Una vez ocurra la rotura, retiramos sus partes y medimos su longitud y diámetro final. Colocamos la siguiente probeta y repetimos los paso. De igual forma para las otras.

Figura 5. Proceso de estiramiento y ruptura experimentado por la probeta. | Figura 6. Partes de una gráfica

DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO Material

L0

D0

LF

DF

Carga Máx.

Acero (Bajo Carbono)

21.9 mm

5.8 mm

30 mm

3.4 mm

1390 Kg

Acero (Medio Carbono)

25.2 mm

5.8 mm

32.4 mm

4.1 mm

2550 Kg

Aluminio

25.6 mm

6.1 mm

32.6 mm

3.1 mm

470 Kg

Cobre

26.35 mm

6.3 mm

30.2 mm

4 mm

1250 Kg

Bronce

25.7 mm

6.2 mm

33.8 mm

5.1 mm

1470 Kg


.


CONSTRUCCIÓN DE LAS CURVAS DE INGENIERÍA Y DEMÁS CÁLCULOS



OBSERVACIONES, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES  Observamos que en la gráfica carga-desplazamiento el valor de la carga aplicada disminuye después de alcanzar su valor máximo. Esto con un simple análisis lógico parece poco coherente. Sin embargo, para entender este fenómeno tuvimos que analizar el funcionamiento de la maquina universal y también, pedir ayuda al profesor. De ese trabajo obtuvimos como resultado lo siguiente: La maquina aplica una carga producto de la presión ejercida por un líquido contenido en un envase con un émbolo, el cual está conectado a los brazos encargados de estirar las probetas. Estas probetas, al inicio, ponen una resistencia a la tracción suficiente como para impedir el avance del émbolo, generando así un aumento de presión que conlleva un aumento de carga. Cuando la probeta llega a su esfuerzo máximo se inicia el proceso de estricción donde el material “cede” y encoge su diámetro, por lo cual se necesita un menor esfuerzo para terminar de romperlo. Esta es la razón por la cual observamos que la carga disminuye.  De las gráficas, observamos que en los materiales no ferrosos (Aluminio, Cobre y Bronce) la zona plástica es casi imperceptible, a diferencia de los materiales ferrosos (Acero de bajo y medio Carbono) donde esta zona si es apreciable, aunque ligeramente.  Observamos que la curva más peculiar es la del bronce. Esto se debe a que este material no es dúctil, por lo cual no forma un cuello antes de romperse.  Concluimos que es muy importante hacer ensayos de tracción a los diversos materiales a los que se les pueda dar uso, puesto que así podríamos elegirle un buen uso y darle un debido mantenimiento dentro del marco de la ingeniería mecánica en general.  Además, concluimos que en la construcción de la curva real a partir de la curva de ingeniería, ésta es algo más “pequeña” que la real, es decir, sus valores de esfuerzo y deformación son menores que lo de la real.  Aprendimos que la deformación en la probeta no se realiza uniformemente, es decir, hay momentos en donde la probeta se deforma más rápido. Esta es la causa de que no podamos construir la curva real a partir de la gráfica carga-desplazamiento a pesar de conocer aparentemente la deformación en cada instante.  Es imprescindible utilizar el método gráfico para determinar la deformación final medida. Esto porque al terminar el ensayo de tracción la probeta se recupera o contrae ya que durante el ensayo ha sufrido, entre otras, deformación elástica la cual es “recuperable”. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA | FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA


 Recomendamos que al momento de realizar la gráfica de ingeniería se utilice un factor de escala a partir de la curva carga-desplazamiento. Es decir, luego de contar los cuadraditos en ambos ejes en la hoja milimetrada que contiene la curva experimental, debemos multiplicar a estas cantidades un número tal que mantenga su proporción y sea adecuada para nuestra hoja de gráficos. Todo esto con el fin de conservar la tendencia de las curvas y otorgarles posibilidad de comparación.  También, recomendamos tener mucho cuidado al momento de la medición, en especial cuando se acerca al valor de rotura, ya que la probeta se rompe y algún pedazo de esta puede salir disparado del dispositivo y lastimar al operario.



CUESTIONARIO ¿Cómo influye la temperatura en la forma de la curva de ingeniería? Su efecto está principalmente vinculado con la dilatación del material, que en general aumentan el tamaño del grano de la muestra, variando sus propiedades mecánicas. Por ejemplo: En los aceros al carbono y en los débilmente aleados, al descender la temperatura por debajo de los cero grados, aumenta el límite de elasticidad, que se aproxima a la carga de rotura mientras se reduce la fase de deformación plástica, en otras palabras, la línea elástica aumenta de pendiente y disminuye el tramo plástico.

¿Cálculo del esfuerzo de fluencia según el Método Off-set? El Método Off-set es una convención que nos permite calcular el esfuerzo de fluencia en una curva de tracción para los metales que experimentan una transición elasto-plástica en forma gradual, en la cual no se puede definir con precisión el esfuerzo de fluencia. El procedimiento consiste en trazar una recta paralela a la línea elástica de la gráfica esfuerzo – elongación considerando una valor igual a 0.2% (ó 0.002), de tal manera que para el punto de intersección le corresponderá un valor de esfuerzo, el cual se denomina esfuerzo de fluencia (σ0.2). Este proceso se aprecia en la siguiente gráfica:



Figura 9. Método Off-Set aplicado para calcular el esfuerzo de fluencia.



APÉNDICE El ensayo de tracción es la técnica experimental más utilizada para medir las propiedades mecánicas de los materiales metálicos. Con él se suelen obtener los parámetros que definen el comportamiento del material, ya sea en régimen elástico, plástico, e incluso en rotura. Hasta hace poco, se consideraba que los parámetros elásticos (módulo de elasticidad, coeficiente de Poisson y límite elástico) eran suficientes para definir el comportamiento mecánico de los metales, ya que las piezas se diseñaban para que nunca sobrepasasen el límite elástico en sus condiciones de trabajo. Sin embargo los avances en el conocimiento de la plasticidad y el desarrollo de potentes herramientas numéricas han posibilitado el cálculo y la aplicación de estos materiales dentro de la región plástica. Así, la determinación de parámetros como la curva de endurecimiento plástico y, especialmente, el límite máximo en el que puede utilizarse el material, es decir, su límite de rotura en tensiones y deformaciones, han pasado a tener una gran importancia. Para obtener la curva de endurecimiento plástico de un material se emplea la curva fuerzadesplazamiento obtenida en el ensayo de tracción hasta el punto de fuerza máxima, suponiendo deformaciones homogéneas en la probeta hasta ese instante. Sin embargo, tanto la localización de la deformación como la rotura son fenómenos en los que influyen variables difíciles de controlar, las imperfecciones entre ellas. Por ello, esta hipótesis de deformación homogénea hasta carga máxima no siempre resulta válida. Por otra parte, para el ensayo de tracción se utilizan indistintamente diferentes tipos de probetas, sin tener en cuenta que la geometría de las mismas puede afectar a la triaxialidad de tensiones existente durante el ensayo y repercutiendo de forma determinante en la deformación de rotura. Este fenómeno, a pesar de su importancia, no suele tenerse en cuenta a la hora de analizar la rotura en un ensayo de tracción.

Figura 7. Dispositivo experimental para el ensayo de tracción.


ENSAYO DE TRACCIÓN INFORME Nº2 Laboratorio de Ciencia de los Materiales Parece, por tanto, que entender cómo se localiza la deformación durante el ensayo de tracción y cómo se produce la rotura resultaría fundamental para poder interpretar los resultados experimentales y por ende las propiedades mecánicas que se pueden extraer de ellos. Se presenta parte de una investigación enfocada a estudiar los mecanismos de rotura de los aceros de construcción. Se han estudiado los fenómenos de estricción y rotura en probetas planas. Para ello se ha realizado una campaña experimental de ensayos de tracción extensamente instrumentados sobre acero perlítico. Mediante un sistema de extensometría óptica se han obtenido los mapas de deformación en la superficie de las probetas durante todo el ensayo. Puesto que para caracterizar adecuadamente la rotura resulta fundamental conocer, no sólo las deformaciones, sino también el estado tensional en el instante de rotura [2-4], se han realizado simulaciones numéricas encaminadas a reproducir los ensayos con la mayor fidelidad posible. Luego de terminar con todos estos cálculos se llega a la siguiente conclusión: Al caracterizar los mecanismos de rotura de los aceros de construcción. Mediante técnicas experimentales y numéricas se han reproducido los fenómenos de localización de la deformación durante un ensayo de tracción, permitiendo poner de manifiesto que los fenómenos de estricción y rotura en las probetas de tracción son muy sensibles a las imperfecciones tanto geométricas como de desalineamiento en la carga. Estos aspectos, a los que no se les suele prestar suficiente atención, pueden llegar a tener incluso una repercusión significativa en la curva tensión deformación obtenida.

Figura 8. Probetas de Aluminio, Bronce y Cobre, respectivamente.

BIBLIOGRAFÍA  Tecnologías de los Materiales Industriales. Lasheras, Esteban. Pág. 193-203  Tratamiento Térmico de los Aceros. Apraiz, J.  Técnicas de Laboratorio para pruebas de Materiales. Keyser, Carl. Limusa-Wiley  Pruebas Mecánicas y Propiedades de los Metales. Zolotorevski, V. Editorial Mir.  The testing and Inspection of Engineering Materials. Troxell  Ensayos Mecánicos de los Materiales Metálicos. Domenico Lucchesi. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA | FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

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