Informe Tracción, Resistencia de Los Materiales

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica

1. RESUMEN DE LA EXPERIENCIA En esta primera experiencia de laboratorio, de resistencia de los materiales, se abarcó el tema de “tracción” que se define como el esfuerzo mecánic o al que está sometido un cuerpo, por po r medio de dos

fuerzas axiales contrarias, que tienden a estirarlo. Se realizó un análisis de como dicho esfuerzo, influyó en tres tipos distintos de material, acero, latón y aluminio respectivamente, con probetas de similares dimensiones, las cuales fueron sometidas a tracción por medio de un ensayo. De este ensayo se desprende un gráfico de carga v/s estiramiento, de donde se extrajeron datos de sus curvas, como la zona elástica, zona plástica y ruptura, así como los puntos de inflexión límites de cada uno de los materiales estudiados. Para el ensayo se utilizó un dinamómetro universal (máquina de ensayo de tracción); instrumento requerido para medir fuerzas o pesar objetos, donde en uno de sus extremos se anclaron las probetas, sometiéndolas a estiramiento. Todos los datos obtenidos fueron tabulados para su posterior análisis y comparación. Cada procedimiento durante el transcurso del laboratorio, fue explicado y supervisado por el profesor.

Palabras Clave: Tracción, Estiramiento, Esfuerzo o tensión, Deformación, Ley elástica de Hooke, Zona elástica, Límite elástico, Zona plástica, Límite plástico, Ruptura, Fluencia.


2. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GENERAL: Familiarizar al alumno con el ensayo de tracción uniaxial para determinar propiedades físicas de los materiales y conocer su aplicación en el campo industrial, ya sea para medir constantes elásticas y propiedades de los materiales o controlar la calidad de diferentes aceros y aleaciones desarrollada por la industria manufacturera.

2.1. OBJETIVOS ESPECIFICOS: -

Capacitar al alumno para identificar en el laboratorio las diferentes máquinas de ensayo universal. Entre ellas, se puede identificar máquinas de ensayo en sayo de tracción de baja compliancia (baja flexibilidad) y, de alta compliancia (alta flexibilidad), con accionamiento hidráulico y accionamiento a través de tornillos, respectivamente.

-

Capacitar al alumno en el ensayo normalizado de tracción según norma nacional proporcionada por el Instituto Nacional de Normalización (INN) y aplicación del Sistema Internacional de Unidades (SI) para expresar diversas magnitudes físicas.

-

Familiarizar al alumno con las definiciones básicas de la resistencia de los materiales tales como esfuerzos, elongación, deformación, diagrama de fuerza versus deformación, fractura en material frágil y fractura en material dúctil.

-

Determinar el esfuerzo o tensión de proporcionalidad, el límite elástico, el esfuerzo de fluencia, el esfuerzo máximo y el esfuerzo de ruptura.

-

Determinar la deformación en puntos singulares del diagrama fuerza versus deformación.

-

Capacitar al alumno en la determinación del módulo de elasticidad o módulo de Young.


3. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO SEGUIDO 3.1 CLASIFICACIÓN Y MEDICIÓN PROBETAS Luego de una cátedra de introducción al laboratorio, se entregaron seis probetas de tres distintos tipos de material, las cuales se clasificaron y midieron con el pie de metro, registrando dimensiones como el Ø del cuerpo cilíndrico y el largo de éste. Cabe destacar, que las dimensiones de éstas probetas para éste tipo de ensayo, se encuentran normalizadas.


3.2 ENSAYO TRACCIÓN Una vez clasificadas y medidas las probetas, se procedió a reconocer la máquina de medición, el “dinamómetro universal” capaz de someter las probetas a tracción y registrar sus deformaciones por

medio de un gráfico (zona elástica, zona plástica, límite elástico, límite plástico y ruptura). Las cargas de ruptura fueron registradas en distintas escalas dependiendo del material de la probeta; de 0 a 10.000 toneladas acero, y de 0 a 5.000 toneladas para las de aluminio y latón. El orden para cada ensayo fue el siguiente: -

Probeta Aluminio nº1

-

Probeta Aluminio nº2

-

Probeta Latón nº1

-

Probeta Latón nº2

-

Probeta Acero nº1

-

Probeta Acero nº2

Se regularon las probetas para obtener una mejor fijación a los anclajes de la máquina y se procedió a realizar el ensayo tomando en cuenta las escalas antes mencionadas para cada material. Se aplicó carga a las probetas, hasta romperlas y registrando los datos. Ensayo Tracción. La velocidad de tracción fue de 3mm a 4mm por minuto aproximadamente. Terminado el ensayo, la máquina entregó los gráficos de fuerza vs elongación de cada una de las probetas y se procedió a tomar las dimensiones de éstas nuevamente ya rotas, y tabulando la información recopilada.


4. GRÁFICO FUERZA VS ELONGACIÓN 4.1 GRÁFICO OBTENIDO Dicho anteriormente, una vez finalizado el ensayo de tracción, la máquina arrojó el gráfico de fuerza vs elongación, con el cual, posteriormente se podrán determinar parámetros como punto de proporcionalidad, límite de fluencia y punto de ruptura.

Gráfico arrojado por la máquina.

4.2 DETERMINACIÓN CUALITATIVA EN GRÁFICO Gracias al gráfico entregado por la máquina, y a las lecturas realizadas para determinar la carga efectuada a cada probeta, por medio de un ajuste de escala, se pueden determinar gráficamente parámetros como el punto de proporcionalidad, el límite de fluencia y el punto de ruptura respectivamente de cada probeta según el material. Los resultados se expresan en los siguientes gráficos:


Probetas de Aluminio

Probetas de Latón


Probetas de Acero


5. RESULTADOS 5.1 RESULTADOS SEGÚN GRÁFICO ENTREGADO


5.2 RESULTADOS CALCULADOS


6. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL EQUIPO UTILIZADO 6.1 DINAMÓMETRO UNIVERSAL -

Marca: Losenhausenwerk

-

Capacidad: 10 toneladas

Maquina ensayo tracción. Medidor de Kgf (según escalas)

6.2 PROBETAS -

Cantidad-Material: 2 Aluminio, 2 Latón, 2 Acero

-

Dimensiones: Según plano y tabla anexa

Probetas utilizadas.


6.3 PIE DE METRO -

Marca: Mitutoyo

-

Dimensión máxima: 200mm.

-

Precisión: 0.05mm.

Pie de metro 200mm.


7. ANÁLISIS DE RESULTADOS, COMENTARIOS Y CONCLUSIONES Gracias a los ensayos de tracción aplicados a los distintos materiales, y por medio del análisis de sus resultados, se deja en evidencia que cada uno tiene un comportamiento muy distinto respecto al otro. Se observa que de los tres distintos tipos de material sometidos al ensayo, el aluminio posee un grado menor de elasticidad y plasticidad, pero con una resistencia a la carga máxima media entre los otros dos. En el caso del latón, fue el material con mayor plasticidad, pero a la vez, el que más tiende a romperse con una menor carga aplicada. Destaca el acero con su capacidad elástica, siendo además, el material que mejor resistió a altas cargas aplicadas. En resumen, se aprecia que de los tres materiales estudiados, del más al menos resistente a esfuerzos de tracción, fueron el acero, el aluminio y el latón respectivamente. Haciendo una observación en los gráficos de las probetas del mismo material, se deja en evidencia lo poco que varían las curvas de uno respecto al otro, aseverando que el comportamiento de un material en específico, será siempre el mismo independiente de las condiciones en que se encuentre. Las conclusiones anteriores, corroboran la importancia de este tipo de ensayos para la aplicación de los distintos tipos de materiales en el campo de la industria. La capacidad de reconocer, y saber seleccionar un tipo de material para una tarea o trabajo específico, se vuelve fundamental si se desea llegar a resultados óptimos, logrando diseños ingenieriles resistentes, perdurables y económicos.


7. APÉNDICE Porcentaje de estiramiento: La cantidad de estiramiento que presenta una muestra bajo tensión durante un ensayo de tracción, a un valor de la ductilidad de un material. La ductilidad de los materiales comúnmente se expresa como porcentaje de la elongación Porcentaje de estiramiento =

(−  ) ∗ 100

Porcentaje de estiramiento de Área: Este parámetro también da una idea acerca de la ductilidad del material. Utilizando la medida de los diámetros inicial y final, puede determinarse el porcentaje de reducción en el área a partir de la ecuación

−

Porcentaje de estiramiento de área = (  Etapas de un material sometido a tracción

) ∗ 100


Los diagramas esfuerzo - deformación son graficas que permiten comparar el esfuerzo aplicado versus si deformación o alargamiento y permiten determinar las propiedades físicas del material a estudiar


7.1 ECUACIONES OCUPADAS EN LOS CÁLCULOS 

Para comenzar el análisis de las probetas y observar el comportamiento de estas frente al esfuerzo de tracción ocuparemos el cálculo de las cargas de proporcionalidad y ruptura:

Ecu ación de M odul o de elasti cidad

L0



A0



P PP

 PP



E

Ecuación de tensión proporcion al

3 P pp

L



2bh

2





pp

Ecuación Modulo de trabajo

 P  d   W

Ecuación de tensión de ruptura 3 P rup

L



2bh

2





rup

Prup: Carga de ruptura, es la carga con la cual el material alcanza su límite elástico y colapsa provocando su ruptura

Ppp: Es el ultimo valor de la carga, tal que se mantiene el comportamiento proporcional línea de realicen carga- flecha máxima




Para el cálculo de las cargas de proporcionalidad y ruptura, se ocupó:

P max * dis tan cia pro p( rup ) dis tan cia max



P pro p( rup )

Pmax: carga máxima Pprop(rup) : carga proporcionalidad (ruptura) Distancia prop(rup) : divisiones de la carga proporcionalidad en el gráfico Distancia máx. : Divisiones de la carga máxima en el gráfico 

Para el cálculo de diferencia de longitudes de la probeta

 L | Lo 

% L   L :

Lf |

| Lo  Lf | Lo

x100

Diferencia de longitudes

Lo: longitud inicial Lf : longitud final 

Para el cálculo de diferencia de áreas de la probeta A



 *

D

 A | Ao 

% A   A :

Diferencia de áreas

Ao: Área inicial Af : Área final D : diámetro

2

4

Af |

| Ao  Af | Ao

x100


La tensión nominal en una probeta sometida a la fuerza axial P y que tiene una sección transversal Ao está definida por: P σ0 =

A 0

σ : esfuerzo a la tracción

P: carga A: área inicial



Para obtener el Módulo de Young

 =   E: Módulo de Young P: carga axial aplicada δ: estiramiento

A: sección transversal de la probeta



Para el cálculo de trabajo W=FXδ

W: trabajo realizado F: Carga aplicada a la probeta δ: Deformación de la probeta

La deformación convencional (ingenieril o aritmética) se define por la razón entre la elongación y la longitud inicial de la probeta.

ε0 =

ΔL

L0


La deformación real se define por el logaritmo natural de la razón entre la longitud Total L y la longitud inicial Lo, es decir: L

ε =ln

L0

Lo anterior es una consecuencia de la integración de la ecuación diferencial: dε

dL =

Lo

La tensión real se define por la razón entre la fuerza axial P y la sección transversal A, esto es σ =

P A


7.2 DIAGRAMA DE ESFUERZOS El diagrama de esfuerzos es fundamental para determinar las propiedades físicas de los materiales. En el diagrama, indicado en la figura 1, se pueden distinguir el límite de proporcionalidad, el límite de fluencia y el límite de ruptura.

Diagrama de fuerza vs alargamiento

7.3 PROBETA DE ENSAYO La figura 2 indica las dimensiones de una probeta normalizada.

Dimensiones probeta


8. BIBLIOGRAFÍA - GUIA DE LABORATORIO RESISTENCIA DE MATERIALES - E981 ENSAYO DE TRACCION, USACH


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