Universidad de Costa Rica Escuela de Ingeniería Mecánica Mecánica del Sólido I IM - 0315 Laboratorio 1 Pruebas destructivas de tensión
Prof. Leonora de Lemos Grupo 02
Andrés Monge Schaer A74144 José Diaz Marin B02118
I Semestre 2012 Resumen En el laboratorio se efectuarán pruebas para medir las variaciones en la longitud de una probeta de aluminio, a diferentes magnitudes de carga. También se busca enc ontrar la carga máxima a la cual dicha probeta va a llegar al punto de ruptura. Pa ra esto se medirán las todas las dimensiones iniciales (ancho, largo y espesor), y se le aplicará carga en tensión gradualmente a una velocidad constante, así de esta m anera se podrán medir las deformaciones que va sufriendo el aluminio a lo largo de l proceso hasta que llegue a su punto de ruptura. Una vez obtenidos los datos se podrá construir Objetivos Familiarizar al estudiante con las pruebas destructivas de tensión más comun es. Proporcionar al estudiante una experiencia práctica con los fenómenos de def ormación y falla de los materiales. Marco Teórico El esfuerzo se define aquí como la intensidad de las fuerzas componentes internas distribuidas que resisten un cambio en la forma de un cuerpo. El esfuerzo se def ine en términos de fuerza por unidad de área. Existen tres clases básicas de esfuerzos : en tensión, compresión y corte. El esfuerzo se calcula utilizando las medidas inic iales del área, ya que estas van a cambiar después de la aplicación de la carga. La deformación se define como el cambio en la forma de un cuerpo, el cual se debe a un esfuerzo o al cambio térmico. En conjunción con el esfuerzo directo, la deforma ción se supone como un cambio lineal y se mide en unidades de longitud. Cuando la deformación se define como el cambio por unidad de longitud en una dimen sión lineal de un cuerpo, el cual va acompañado por un cambio de esfuerzo, se denomi na deformación unitaria debida a un esfuerzo. Es una razón o numero no dimensional, y es, por lo tanto, la misma sin importar las unidades expresadas, su cálculo se p uede realizar mediante la siguiente expresión:
= / L
(1)
donde, es la deformación unitaria, es la deformación, y L es la longitud del elemento Deformación plástica o irreversible. Modo de deformación en que el material no regresa a su forma original una vez que es retirada la carga aplicada. La deformación plástica es lo contrario a la deformac ión reversible. Deformación elástica o reversible El cuerpo recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca la defo rmación. En este tipo de deformación, el sólido, al variar su estado tensional y aumen tar su energía interna en forma de energía potencial elástica. Es importante recalcar que el sólido regresará a su estado inicial mientras el esfuerzo no exceda el límite d e proporcionalidad, que es cuando el esfuerzo aplicado es igual al esfuerzo de f luencia. Una vez que se ha retirado una carga se puede calcular el porcentaje de reducción del área, así como el porcentaje de alargamiento que causó dicha carga. Esto utilizand o las siguientes relaciones: %A=(A°-A)/(A°).100% %L=(L-L°)/(L°).100%
Análisis de Resultados Se especificaron las dimensiones de la probeta según la norma ASTM E-8M, y se obtu vieron los datos de la tabla #1. Tabla #1 Tiempo (s) Deformación (mm) Carga (kN) Esfuerzo (MPa) Deformación Unitar ia 0 0 0 0 0 5 0,508 1,068 52,33 0,0085 10 0,254 1,157 56,69 0,0042
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125
0,254 0,508 0,254 0,762 0,508 0,762 0,508 0,508 0,508 0,508 0,762 0,762 1,016 9,906 1,016 1,016 1,27 0,508 1,27 0,762 0,762 1,016 0,762
1,334 1,379 1,468 1,646 1,690 1,779 1,868 1,868 1,913 1,957 2,002 2,002 2,002 2,046 2,046 2,046 2,046 2,046 2,002 1,957 1,868 1,779 1,334
65,41 67,60 71,96 80,68 82,86 87,22 91,58 91,58 93,76 95,94 98,12 98,12 98,12 100,30 100,30 100,30 100,30 100,30 98,12 95,94 91,58 87,22 65,41
0,0042 0,0085 0,0042 0,0127 0,0085 0,0127 0,0085 0,0085 0,0085 0,0085 0,0127 0,0127 0,0169 0,1651 0,0169 0,0169 0,0212 0,0085 0,0212 0,0127 0,0127 0,0169 0,0127
En los cuales se tiene la deformación ( δ) en milímetros, la carga (P) en kilo Newtons, el esfuerzo ( ) en mega pascales y la deformación unitaria ( ) para cada 5 segundos. Con estos datos, y los datos de área inicial (A₀) y los datos de área final (A). Para calcular el esfuerzo se utilizo: σ = P/ A (1) Para calcular la deformación unitaria se utilizo: (2) =δ/ L A partir de estos datos calculados se construyó la gráfica #1 de Esfuerzo vs Deforma ción unitaria, con la cual se muestra como se comporto el material desde su punto de fluencia hasta su punto de ruptura. Grafica #1 Esta grafica nos da datos más acertados sobre cómo se comporta el material. A simple vista podemos notar como el material no es dúctil, es más bien un material frágil debido a la forma que tiene la curva. Se observa que el esfuerzo de fluenci a (σy) se presenta alrededor del valor 80 MPa, lo que nos indica que de este punto en adelante el aluminio presentara una deformación permanente. Es importante resa ltar el esfuerzo último (σu), en este caso del aluminio analizado, que se presenta a lrededor de los 95 MPa. Este esfuerzo es la última carga que puede aguantar el mat erial sin generar una ruptura. Por último cabe resaltar la importancia del valor d el esfuerzo de ruptura (σp) el cual sucede alrededor de los 82 MPa, el cual corres ponde al esfuerzo que se realizo al romperse el material. Se observa que es meno r que el esfuerzo último, esto porque la ruptura de un material depende de varios factores tales como la velocidad con la que se carga o descarga el material y la temperatura en ese momento, y a causa de esto el material falla, generando un q uiebre en diagonal como se observa en la imagen #1. Imagen #1 Con esto podemos confirmar que el aluminio es un material frágil, que no tiene pue de resistir grandes cargas en tensión ya que su modulo de elasticidad no satisface la Ley de Hooke para materiales elásticos. Como se observa en la grafica #1, lueg o del esfuerzo último (σu) se ve una estricción del material hasta que se fractura por completo. Conlcusión Se realizo con éxito la prueba destructiva de tension con el aluminio, mos trando asi las cualidades del aluminio y su comportamiento al estar expuesto a d
istintas cargas en tension. Aunque la carga fue impuesta de manera manual por un usuario, se observa en los resultados que se logro hacer de una manera lo sufic ientemente constante como para que los datos obtenidos proporcionaran bastante c erteza, tanto asi que se asemeja a la grafica ideal de esfuerzo-deformacion de l a aleacion del aluminio. Se demuestra que en aplicaciones de tension, el aluminio es un material fragil, que no debe ser utilizado para grandes cargas de este tipo. Tambien se o bserva la perdida en al area transversal debido a la estriccion del material, la cual causa su ruptura. Bibliografía Beer, F. et al. (2010). Mecánica de Materiales (5ta Edición). México, D.F.: McGraw Hil l.
