Ensayo de Tensión o Tracción *Silvana Briñez Fernández, ** Oliver Polo Mejía * Estudiante de Ingeniería Mecánica, Código: 200033565 ** Estudiante de Ingeniería Industrial, Código: 200033125
Profesor: Jaime Mesa
Laboratorio de Ciencia de los Materiales Universidad del Norte Fecha (04-11-2010) Barranquilla-Colombia
___________________________________________________________________ ______________________________________ _____________________________ Resumen El objetivo principal de este informe es analizar algunas de las propiedades del acero templado y acero al carbono; mediante la realización del ensayos de tensión, este ensayo consistió en colocar una probeta del material a estudiar dentro de la maquina universal de ensayo, se ajustaron las mordazas de la maquina para que la probeta no resbalara y así obtener datos mucho más precisos, se obtuvieron graficas de las cuales se pudieron determinar ciertas propiedades de los materiales como tenacidad, resiliencia, limite elástico, módulo de Young entre otras que son muy importantes en la ingeniería mediante la aplicación de ciertas formulas y análisis de las gráficas, como se mostrara más adelante.
Abstract The main objective of this report is to analyze some of the properties of hardened steel and carbon steel by performing the voltage tests, this test consisted of placing a specimen of material to study in the universal testing machine were adjusted jaws of the machine so that the specimen does not slip and get much more accurate data, graphs were obtained which were able to determine certain material properties such as tenacity, resilience, yield strength, Young's modulus among others that are very important in engineering through the application of certain formulas and analysis of graphs, as shown below.
Palabras claves: Acero templado, Acero al carbón, Tensión, Probeta, Maquina universal de ensayo, Mordazas, Tenacidad, Resiliencia, Limite elástico, Modulo de Young.
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1. Introducción Al fabricar nuevos dispositivos y construcciones que soportaran grandes esfuerzos durante su vida útil, es necesario saber que tan fuerte son los mismos para corregir las posibles fallas y así conseguir mejores desempeños, y reduciendo el riesgo de “fallas catastróficas” que pueden causar gastos mayores a la larga; el saber que tanta tensión puede soportar un metal es de vital importancia en muchas industrias, y para saber esto es necesario realizar el ensayo de tensión para conocer estas propiedades. El ensayo de tensión o tracción es utilizado para conocer las cargas uniaxiales a las que puede ser sometido un material sin dañarse; Las probetas para estos ensayos se fabrican en una variedad de formas, la sección transversal de la probeta puede ser redonda, cuadrada o rectangular, estos ensayos se realizan en la maquina universal siguiendo los parámetros establecidos por la American Society for Testing Materials, más específicamente la norma ASTM E-8 en la cual se menciona una serie de pasos para la preparación de las probetas y la manera en la que se deben realizar los ensayos. Del ensayo de tensión se pueden determinar muchas propiedades de un material como son la el límite de elasticidad, modulo elástico, resiliencia y uno de los más importantes la tenacidad, entre otros; es por esto que este ensayo es uno de los utilizados en la ingeniería gracias a la gran cantidad de datos valiosos que arroja.
2. Metodología Equipos: Maquina universal de ensayo: Fue empleada a la hora de realizar en ensayo de tensión, esta misma arrojo la gráfica con los datos a analizar.
Calibrador: Fue utilizado para medir las longitud antes y después de someterla a la tensión de la maquina universal de ensayo.
Materiales: Clavo de acero templado: Este clavo fue utilizado como probeta circular en el ensayo de tensión
Probeta rectangular de acero al carbono: Fue utilizada para realizar el ensayo en el acero al carbono
3. Resultados
Procedimiento: Para la realización de esta experiencia de laboratorio primero se recibió una pequeña introducción teórica por parte del profesor acerca de los conceptos básicos y las generalidades de la preparación de la práctica y las normas ASTM (ASTM E8) que se utilizarían para la realización de la prueba de tensión y los cuidados que se deben tener a la hora de realizar dichos ensayos. Inmediatamente se eligieron las probetas a utilizar para los ensayos, a las cuales se le realizaron una serie de mediciones (área, longitud, diámetro, diámetro, anchura, etc.) con el fin de llevar un registro e introducir estos datos a la computadora; una vez medida las probetas se procedió a colocar una de estas (Probeta de acero templado) en la maquina universal de ensayos para someterlas a la tensión, asegurándose que las mordazas de la maquina estuviesen completamente ajustadas para evitar que la pieza se deslizase arrojando como resultado datos erróneos, para esto con un martillo de goma se golpearon las mordazas para cerrarlas aún más, una vez colocada la pieza en la máquina y fija totalmente se procedió a realizar la prueba aplicando una carga uniaxial que aumentaba gradual a la probeta hasta llevarla a la ruptura, obteniendo así las gráficas de Carga Vs Alargamiento para este material, se midieron las dos partes en las que se partió la probeta con el fin de conocer la longitud final de la misma; luego se realizó el mismo procedimiento para la probeta de acero al carbono, dando así por concluida la experiencia de laboratorio.
Gráfico 1 Carga Vs Alargamiento (Acero al carbono)
Gráfico 2 Esfuerzo Vs Porcentaje de Deformación (Acero al Carbono)
Gráfico 3 Carga Vs Alargamiento (Acero Templado)
Módulo de elasticidad = = ( ) =15545,0867 Mpa C) Calculo de la resiliencia resilienci a del acero al carbono Esfuerzo de fluencia= 428 Mpa Alargamiento= 2,4 mm
) ( R=
Gráfico 4 Esfuerzo Vs Porcentaje de Deformación (Acero Templado)
Cálculos: A) Calculo de módulo de elasticidad del acero al carbono: Puntos tomados: Esfuerzo (Mpa)
%Deformación
D) Calculo de la resiliencia del acero templado Esfuerzo de fluencia= 1009,4 Mpa Alargamiento= 4,4 mm R= ()
300
2,366863905
390
2,721893491
Módulo de elasticidad
E) Calculo de la tenacidad del acero templado Esfuerzo de fluencia= 1009,4 Mpa Esfuerzo máximo= 1069,9 Mpa Estiramiento total= 5,8 mm T=
= = ( )
B) Calculo de módulo de elasticidad del acero templado: Puntos tomados: Esfuerzo (Mpa)
%Deformación
753,7012113
5,238095238
901,7496635
6,19047619
) ( = =6,029 Mpa*m F) Calculo de la tenacidad del acero al carbono Esfuerzo de fluencia= 428 Mpa Esfuerzo máximo= 492 Mpa Estiramiento total= 6,1 mm T=
) ( = =2,806 Mpa*m
M ate rial
Ac er o al ca rb on o Ac er o te m pl ad o
L o ( m m )
8 4 , 5
6 3
L f ( m m )
8 8 , 6
6 5 , 2
Li m it e el ás ti c o ( M p a)
Mó dul o de ela stic ida d (M pa)
Es fu er zo d e fl u e nc ia ( M p a)
Es fu er zo M áx i m o ( M p a)
Es fu er zo d e R ot ur a ( M p a)
Re sili en cia (M pa *m /m )
Te na cid ad (M pa *m /m )
% Ala rga mie nto
4 2 0
25 35 0
4 2 8
4 9 2
1 8 0
0, 51 36
2, 80 6
7, 21 89 3
9 0 1, 7
15 54 5,0 86 7
1 0 0 9, 4
1 0 6 9, 9
8 7 4, 8 3
2, 22
6, 02 9
9,2 06 34
Tabla 1 Propiedades Mecánicas
Nota: Si desea observar mejor la tabla y las gráficas diríjase a la sección anexos al final.
4. Análisis de resultados La composición química de los aceros es compleja, ya que además de hierro y el carbono el cual se encuentra presente en concentraciones que no superan el 1%, hay en la aleación otros elementos aleantes necesarios para su fabricación, tales como silicio y manganeso, de mismo modo hay otros que se consideran impurezas por la dificultad de excluirlos totalmente como son el azufre, fósforo, oxígeno e hidrogeno.
A medida que aumenta el contenido de carbono en el acero se eleva su resistencia a la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y al mismo tiempo se disminuye la tenacidad y la ductilidad. El acero al carbono simple se utiliza en gran cantidad en construcciones ya que de este se pueden fabricar perfiles y barras; al igual que se utiliza en partes de maquinaria donde no sea necesaria mucha resistencia; también son utilizados para la fabricación de láminas, tiras para trefilado, alambres, varillas, clavos, tornillos , ejes engranes entre otras. El acero templado es un una aleación de hierro-carbono que es sometido a un tratamiento térmico con el fin de aumentar algunas propiedades como la dureza, resistencia a esfuerzos y la más importante la tenacidad, convirtiendo la perlita en austenita mediante la utilización de altas temperaturas (915ºC aprox.); estos aceros son mucho más duros y resistentes pero son demasiado frágiles. Los aceros templados tienen muchas aplicaciones en diferentes industrias como son: Hojas auto-afiladoras, alambres, muelles, resortes, chuchillos, espadas, sables, guadañas, herramientas cortantes, martillos, tornillos, brocas y clavos entre otras. En las gráficas correspondientes al ensayo de tensión hechas por la maquina universal de ensayos para el acero al carbono, se puede observar que este material es muy dúctil, ya que dichas graficas están representadas por una curvatura bastante pronunciada; al llegar a una carga de 12,3 KN se observa un descenso en la carga necesaria para que el material se siga alargando, debido a que el material a reducido su área inicial y esto hace que el
alargamiento sea mucho más fácil; también se observa que hubo bastante deformación plástica o permanente en el material. En cuanto a las gráficas correspondientes al acero templado se observa que este material es es poco dúctil dúctil o frágil, frágil, ya que que su grafica se puede comparar con la de una línea recta, y presenta solo una pequeña curvatura al final; se presenta poca deformación plástica, ya que este material pasó casi inmediatamente de la zona elástica a la ruptura. r uptura. Si comparamos ambos materiales nos damos cuenta que el acero al carbono presenta un módulo de elasticidad mucho menor que el del acero templado, un módulo de elasticidad bajo es una característica de los materiales dúctiles, pero si se comparan los datos obtenidos con los teóricos nos damos cuenta que estos están muy lejos esto se debe a que durante el ensayo se presentaron fallas en la maquina universal de ensayos; también se observa que el acero templado es capaz de absorber mucha más energía antes de deformarse plásticamente (resiliencia) que el acero al carbono, se puede decir que una alta resiliencia es característica por lo general de los materiales frágiles. Se observa también que el acero templado que es un material frágil como se mencionó anteriormente posee una mayor tenacidad que el acero al carbono simple, por lo que es capaz de absorber grandes cantidades de energía antes de fracturarse, una propiedad muy importante a la hora de la escogencia de materiales para piezas donde la resistencia es un factor importante. Para la realización de esta prueba de tensión además de las normas de seguridad mínimas necesarias para la realización de cualquier examen en el laboratorio es
necesario, seguir una serie de instrucciones establecidas en la norma ASTM E8 que es la que regula los procedimientos y aspectos a tener en cuenta para los ensayos de tensión en los metales. Uno de los aspectos más importantes es la de la preparación de la probeta para el examen; una probeta debe de ser simétrica con respecto a un eje longitudinal durante toda su longitud para evitar la flexión durante la realización del ensayo; Las probetas para ensayos de tensión se fabrican en una variedad de formas. La sección transversal de estas puede ser redonda, cuadrada o rectangular, la mayoría de veces en metales se utiliza una probeta de sección redonda, aunque para láminas y placas se pueden emplear una probeta plana (rectangular o cuadrada). La porción central de la probeta es por lo general de menor grosor grosor que los extremos con con el fin que el fallo ocurra en un lugar donde los esfuerzos no resulten afectados por las mordazas. La forma de los extremos debe de ser adecuada al material, y estas se deban ajustar perfectamente a las mordazas de la maquina universal de ensayo. Los extremos de las probetas redondas pueden ser simples, cabeceados o roscados. La relación que existen entre el ancho de los extremos, y el ancho de la sección reducida debe valorarse para materiales quebradizos o muy frágiles para evitar la rotura causada debido al esfuerzo axial y los esfuerzos ejercidos por las mordazas. La transición del extremo a la sección reducida debe hacerse por medio de un bisel adecuado para reducir la concentración de esfuerzos causados por el cambio brusco de sección.
5. Solución al cuestionario
1. Los materiales frágiles poseen baja tenacidad, ¿cómo se puede explicar esto usando la gráfica esfuerzo-%deformación? Muestre un esquema. La tenacidad se define la capacidad de un material de absorber energía antes de la rotura dentro del esquema de un material frágil se puede observar que su rotura es más rápida que la de un material dúctil, es decir el área debajo de la curva de un material frágil es menor al de un material que posea mayor ductilidad por lo tanto se infiere que la tenacidad de un material frágil es menor porque este posee poca capacidad de absorber energía.
Material Dúctil
b) Tanto los cables de soporte, como el brazo que sostienen a este teleférico soportan cargas axiales durante su vida útil cargando el peso de la canastilla y los ocupantes de la misma.
Material Frágil
Dentro de la gráfica se puede observar que el área debajo de la curva en el material frágil es menor por lo tanto la rotura es más rápida que en la de un material dúctil por lo tanto se infiere que tiene poca capacidad de obtener energía.
8. Consulte 4 piezas de la vida cotidiana que se encuentren sometidas a carga axial. Use fotos. R/: a) Los cables que sostienen a este puente se encuentran sometidos a una carga de tensión constante ya que soportan el peso de la estructura y de los vehículos que pasan por él.
c) El gancho y guaya de esta polea están constantemente sometidas a carga de tensión
d) Las poleas y los cables encargados de subir y bajar el ascensor son otras de las piezas que se encuentran sometidas a constante tensión.
del material, se obtuvieron también la carga máxima soportada por el material, la resiliencia que es la energía que puede absorber un material antes de deformarse plásticamente, la cual está representada por el área debajo de la gráfica hasta el límite elástico; entre otras propiedades mecánica muy importantes.
Recomendaciones A la hora de realizar el ensayo de tensión se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones:
6. Conclusiones Recomendaciones
y
De la experiencia se puede concluir que los materiales, en su totalidad, se deforman y rompen cuando son expuestos a una carga externa; También se infiere que el material no es capaz de volver a su forma inicial después de sobrepasar el límite elástico, y es ahí cuando se habla de deformación plástica en un material. Se pudieron establecer las diferencias que hay entre un material dúctil (acero al carbono) y uno uno frágil (Acero (Acero templado); templado); y analizar el comportamiento de los mismos al ser sometidos a una carga que aumenta gradualmente hasta llegar a la ruptura del material. Se realizó el estudio de la norma correspondiente a este ensayo (ASTM E8), los procedimientos a seguir, las normas de seguridad y las características que debe tener una probeta para este tipo de ensayos; al igual que se estudió las aplicaciones, composición química y características más relevantes de estos materiales. Se concluyó que el área bajo la curva de la gráfica Esfuerzo Vs Deformación hasta el punto de ruptura, es el valor de la tenacidad
Seguir las normas mínimas de seguridad establecidas por la ASTM durante la instancia en el laboratorio y la realización de este ensayo, como son el portar bata, zapato cerrado, y portar gafas para proteger la vista. Al igual que no operar la maquina si no se conoce su funcionamiento. Escoger probetas que cumplan con las exigencias expuestas en la norma ASTM E8, como la forma, dimensión y preparación. Seguir el procedimiento adecuado. Asegurarse que la probeta este completamente ajustada en las mordazas de la máquina, para evitar deslizamientos y errores en los resultados. Realizar varias pruebas para tener mucha más precisión, ya que el ensayo de tensión puede verse afectado por cambios en la temperatura ya que si esta aumenta demasiado se crean vacancias que causan que el material sea más dúctil; y también porque las mordazas algunas veces suelen deslizarse.
7. Referencias Bibliográficas Smith, W. Hashemi, J.(2006) Fundamentos de la ciencia e ingeniería de los materiales. Mc Graw Hill. Askeland, D. Ciencia e Ingenieria de los materiales. Carga axial: http://www.universitarios.org.ve/Meca nica/lectura/capitulo%203_1.pdf Extraído el 31/10/2010 Acero de construcción: construcción:
http://wapedia.mobi/es/Acero_al_carb ono Extraído el 1/11/2010
ASTM E8: http://www.astm.org/ Extraído el 1/11/2010 Acero al carbono: carbono:
http://www.utp.edu.co/~publio17/acer oalC.htm#bajoc Extraído el 1/11/2010
Procedimiento para la obtencion de una aleacion de acero al carbono de elevada resistencia y tenacidad: http://www.invenia.es/oepm:p8603664 Extraído el 1/11/2010
Anexos
Gráfico 1
Gráfico 2
Gráfico 3
Gráfico 4
Material
Lo (mm )
Lf (mm )
Limite elástic o (Mpa)
Acero al carbono Acero templad o
84,5
88,6
420
63
65,2
901,7
Módulo de elasticidad (Mpa)
25350 15545,086 7
Esfuerz o de fluencia (Mpa)
Esfuerz o Máxim o (Mpa)
Esfuerz o de Rotura (Mpa)
428
492
180
1009,4
1069,9
874,83
Tabla 1
Resiliencia (Mpa*m/ m)
Tenacidad (Mpa*m/ m)
% Alargamient o
0,5136
2,806
7,21893
2,22
6,029
9,20634
%Deformacion
Esfuerzo(Mpa) 0
0
0,476190476
67,29475101
0,952380952
121,1305518
1,111111111
134,589502
1,428571429
168,2368775
1,746031746
201,884253
1,904761905
235,5316285
2,222222222
269,179004
2,380952381
302,8263795
2,698412698
336,473755
2,857142857
343,2032301
3,174603175
403,7685061
3,333333333
410,4979812
3,650793651
471,0632571
3,80952381
484,5222073
4,126984127
538,3580081
4,285714286
572,0053836
4,444444444
605,6527591
4,761904762
672,9475101
5,079365079
740,2422611
5,238095238
753,7012113
5,555555556
807,5370121
5,714285714
820,9959623
5,952380952
874,8317631
6,19047619
901,7496635
6,507936508
942,1265141
6,666666667
955,5854643
6,984126984
1009,421265
7,142857143
1016,15074
7,46031746
1043,068641
7,619047619
1056,527591
7,777777778
1069,986541
7,936507937
1056,527591
8,095238095
1043,068641
8,412698413
1009,421265
8,571428571
995,9623149
8,888888889
942,1265141
9,047619048
928,6675639
9,206349206
874,8317631
Puntos tomados para la Grafica Esfuerzo Vs %Deformación del acero templado.
%Deformacion
Esfuerzo(Mpa) 0
0
0,355029586
14
0,710059172
24
0,828402367
30
1,065088757
56
1,183431953
60
1,301775148
90
1,420118343
104
1,538461538
120
1,656804734
150
1,775147929
164
1,893491124
180
2,01183432
210
2,130177515
240
2,24852071
270
2,366863905
300
2,485207101
330
2,603550296
360
2,721893491
390
2,840236686
428
2,958579882
450
3,195266272
468
3,550295858
492
3,905325444
488
4,26035503
484
4,615384615
480
4,970414201
472
5,325443787
450
5,680473373
440
6,035502959
424
6,153846154
420
6,390532544
400
6,74556213
368
6,863905325
360
6,982248521
330
7,041420118
270
7,076923077
240
7,100591716
210
7,218934911
180
Puntos tomados para la Grafica Esfuerzo Vs %Deformación del acero al carbono.
Ecuaciones Utilizadas:
Resiliencia.
