Ensayo de Traccion

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

TITULO DE LA EXPERIENCIA ________________________________________________________________________________________________________ EXPERIENCIA N° __________Grupo N°_______Fecha de la Exp_________________ Fecha de Entrega _________________

NOMBRE ASIGNATURA_________________________________________________________CODIGO___________ CARRERA__________ ____________________________________Modalidad ( Diurna o Vespertina)___________________________ NOMBRE DEL ALUMNO___________________________________________________________________________ Apellido Paterno

Apellido Materno

Nombre

________________________ Firma del alumno Fecha de Recepción

Nota de Interrogación ________________

BERNARDO GARATE Nombre del Profesor ________________________________________

Nota de Participación ________________ Nota de Informe ____________________ _________________________________ Nota Final __________________ ______ ________________

Firma del Profesor

SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X ________ Presentación ________ Características Técnicas ________ Descripción del Método seguido OBSERVACIONES

________ Cálculos, resultados, gráficos ________ Discusión, conclusiones _______ Apéndice

2

Índice 1. 2.

1.

Resumen del Contenido 3

3.

2.

Objetivos de la Experiencia 3

4.

3.

Características Técnicas de los Equipos e Instrumentos 4

5.

4.

Metodología Experimental 5

6.

5.

Presentación de Datos 6

7.

6.

Presentación de Resultados 7

8.

7. Discusión de los Resultados, Conclusiones y Observaciones Personales 9

9.

8.

10.

Apéndice 10

3

Ensayo de Tracción 1. Resumen del Contenido El presente informe trata sobre la determinación de las propiedades físicas de los materiales a través del ensayo de tracción uniaxial. Para llevar a cabo este ensayo se utilizaron probetas de tres materiales distintos, acero, latón y aluminio, mediante la maquina universal de ensayos. Para llevar a cabo los objetivos se determinan las cargas proporcionales, cargas máximas y cargas de rupturas, en base al grafico Carga v/s Elongación que arrojo la Maquina Universal de ensayo, con esto se procede a calcular los distintos esfuerzos para cada material por separado. En el desarrollo del informe se muestran los objetivos detallados de la experiencia, los equipos e instrumentos empleados, la metodología utilizada, la presentación de los datos obtenidos y los resultados indicando sus variables estadísticas. Posteriormente se encuentran las conclusiones asociadas a los resultados. Finalmente se adiciona en el apéndice parte de los conceptos y teoría para el desarrollo de la experiencia.

2. Objetivos de la Experiencia 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. Objetivos Específicos      

Capacitar al alumno para identificar en el laboratorio las diferentes máquinas de ensayo universal. Entre ellas, se puede identificar máquinas de ensayo 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. Características Técnicas de los Equipos e Instrumentos

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Maquina Universal de Ensayos        

Marca: Losenhausenwerk Procedencia: Alemania Tipo de instrumento: Analógico Capacidad máxima: 10 toneladas Rango de escala: 0−1000,0−5000,0−10000[ Kgf ] División de escala: 10,20, 100[ Kgf ] Tipos de ensayos: Tracción y flexión. Escala utilizada: 0−1000[Kgf ]

Pie de Metro      

Marca: Mitutoyo Procedencia: Japón Tipo de instrumento: Analógico Unidad de medición: Milímetros y Pulgadas Rango de escala: 0-300 [mm] y 0-12 [in] Sensibilidad: 0,05 [mm] y 1/128 [in]

Probetas Normalizadas 

Se utilizaron 6 probetas normalizadas de distintos materiales , cuales se detallan a continuación : 1. Dos probetas de Aluminio. 2. Dos probetas de Latón. 3. Dos probetas de Acero.

las

5

4. Metodología Experimental En primera instancia se marcan las 6 probetas según su material para diferenciarlas y así obtener mediciones sin problemas ni confusiones, luego de esto se debe medir el largo de la sección cilíndrica de cada una de las probetas normalizadas con el instrumento Pie de Metro, como también su diámetro. Se debe tener la precaución de que estas medidas sean lo más exactas posibles, para así no afectar en la futura obtención de resultados.

Luego de esto se procede a hacer uso de la máquina universal de ensayos, por lo que se coloca cada una de las probetas en la máquina que consiste principalmente en dos mordazas (es en estas mordazas donde se debe colocar las probetas normalizadas), una fija y otra móvil. Ya fija la probeta se procede a aplicar una fuerza de tracción cada vez mayor hasta que ésta se rompa. La máquina cuenta con un mecanismo que permite visualizar la carga aplicada (fuerza aplicada a la probeta en toneladas) en todo momento del ensayo, registrando la carga máxima aplicada antes de la ruptura de la probeta, para así obtener un gráfico de esfuerzo versus elongación, entregado por la máquina.

Fuerza aplicada a probeta en toneladas Una vez que ocurre la ruptura de cada probeta, se procede a medir el nuevo diámetro y su longitud ya deformados, luego de esto, se procede al cálculo de esfuerzos, deformaciones, porcentaje de alargamiento, porcentaje de reducción de área, con la ayuda del gráfico entregado por la máquina.

6 Se debe tener la consideración de hacer dos ensayos con cada material (ya sea de latón, acero o aluminio) para así comparar los diagramas de cada uno de estos. Se debe tener en cuenta que para el caso del latón y el aluminio se debe medir la carga aplicada con la escala hasta las 5 toneladas y el caso del acero con la escala de las 10 toneladas, para esto se debe agregar un contrapeso.

5. Presentación de Datos En esta sección se muestran los datos experimentales obtenidos en la experiencia de los ensayos de probetas antes y después de ser sometidos a tracción Además se muestra la grafica experimental proporcionada por la máquina de ensayo universal. Tabla 1 – Datos obtenidos de las dimensiones antes de Ensayo de Tracción

Material de la probeta Latón 1 Latón 2 Acero 1 Acero 2 Aluminio 1 Aluminio 2

L0 (mm) 109,05 108,15 110,65 108,50

∅0 (mm) 10,30 10,15 10,10 10,15

101,00 108,30

10,35 10,45

Donde:

∅0=¿ L0=¿

Diámetro inicial de la probeta sin traccionar, en milímetros. Longitud inicial de la sección cilíndrica de la probeta sin traccionar, en milímetros. Tabla 2 – Datos obtenidos de las dimensiones después de Ensayo de Tracción

Material de la probeta Latón 1 Latón 2 Acero 1 Acero 2 Aluminio 1 Aluminio 2

Lf (mm) 138,50 135,15 116,85 119,70

∅f (mm) 8,35 8,55 8,00 6,60

112,50 119,70

9,20 9,70

Pmax (ton) 3,31 3,42 6,60 5,20 3,88 3,84

Donde:

∅f =¿ Diámetro inicial de la probeta sin traccionar, en milímetros. Lf =¿ Longitud inicial de la sección cilíndrica de la probeta sin traccionar, en milímetros. Pmax = Carga máxima aplicada , en kilogramo fuerza .

Gráfico experimental: Fuerza v/s Elongación.

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6. Presentación de Resultados A continuación se muestran los resultados de la experiencia conforme a los objetivos. Se calcula el área de la sección transversal de cada probeta

A0

Tabla 3 – Área de las secciones transversales de las probetas.

Material de la probeta Latón 1 Latón 2 Acero 1 Acero 2 Aluminio 1 Aluminio 2

A 0 (cm 2 ) 0,83 0,81 0,80 0,81 0,84 0,86

De la siguiente manera se obtiene el área transversal ( A 0 ¿

A 0=∅ 02 ∙

π 4

A partir del gráfico Carga v/s Elongación se obtienen los siguientes datos. Tabla 4 – Datos entregados por el gráfico. Material de la

P pp (kgf )

Pmax ( kgf )

Prup ( kgf )

8 probeta Latón 1 Latón 2 Acero 1 Acero 2 Aluminio 1 Aluminio 2

2294,059 2361,429 5676,000 5301,946 2586,667 2565,447

3310 3420 6600 5200 3880 3840

3310,000 3420,000 6204,000 4619,120 3880,000 3840,000

Siendo:

P pp = Carga proporcional, en kilogramos fuerza Pmax = Carga máxima aplicada, en kilogramos fuerza Prup = Carga de ruptura, en kilogramos fuerza

A partir de estos datos calculados, se procede a calcular los distintos esfuerzos Tabla 5 – Esfuerzos Material de la probeta Latón 1 Latón 2 Acero 1 Acero 2 Aluminio 1 Aluminio 2

σ pp (

2753,216 2918,454 7084,500 5301,946 3074,468 2991,166

Donde:

σ pp = Esfuerzo de proporcionalidad, en ( kgf ) cm 2 kgf =Esfuerzo máximo, en ( 2 ) cm

kgf ) 2 cm

σ

rup(

kgf ) cm2

3972,498 4226,726 7743,533 4619,120 4611,701 4477,223

σ

máx (

kgf ) cm2

3972,498 4226,726 8237,801 6426,602 4611,701 4477,223

kgf ) cm 2

σ rup =Esfuerzo de ruptura, en ( σ máx

Tabla 6 – Datos tabulados de reducción de área y alargamiento de rotura. Material de la probeta

Reducción de área (%)

Alargamiento de rotura (%)

9 Latón 1 Latón 2 Acero 1 Acero 2 Aluminio 1 Aluminio 2

18,93 15,76 20,79 34,98 11,12 7,18

27,01 24,97 5,60 10,32 11,39 10,53

7. Discusión de los Resultados, Conclusiones y Observaciones Personales Cada material de los que se han analizado se podrían clasificar como dúctiles (materiales que tienen un alargamiento a tracción relativamente grande hasta llegar al punto de ruptura) ya que, en la teoría se asume que si superan un alargamiento de a lo menos 0.05 cm/cm (o del 5%), como fue el caso de todos, pueden ser clasificados así, caso contrario se clasificarían como frágiles. Además, cada material sufrió estricción respecto de su área primitiva y su área final luego del ensayo, esto reafirma que los materiales analizados son dúctiles. En el gráfico arrojado por la maquina Universal se observa que tanto en las probetas de aluminio y latón, no hay decaimiento de carga, ya que presentan su carga máxima Pmax muy cercanas en valor en la carga de ruptura Prup ; esto se confirmó con los cálculos expuestos en la Tabla 4. A diferencia de las dos probetas de acero, que tanto en el gráfico como en la comparación de sus valores en la Tabla 4, muestra que Pmax y Prup no son cercanos. Como se puede apreciar en términos de longitud de cada barra el latón fue el que presento mayor porcentaje de alargamiento de rotura respecto de las otras barras, por otra lado el aluminio pese a que es un metal liviano no deja de ser menos importante a la hora de conocer sus comportamientos tanto de resistencia como de deformación siendo esta última mucho menor que a la del latón. Con respecto a los esfuerzos calculados se puede destacar que el acero fue el metal que mostro mayor rigidez al momento del ensayo y uno de los que sufrió menos los efectos de la deformación Dentro de los gráficos se puede observar que el gráfico de aluminio uno es diferente al del aluminio dos, esto se puede deber a que el aluminio uno y dos son distintos tipos de aluminio. De forma diferente, los diagramas de ambos aceros y latones son casi idénticos y presentan similares cualidades.

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8. Apéndice 1. Ensayo de Tracción: También llamado Ensayo de Tensión, mide la resistencia de un material a una fuerza estática o gradualmente aplicada. El ensayo consiste en la observación de una probeta cilíndrica (cuyas magnitudes están estandarizadas: diámetro de 0.505 plg y una longitud calibrada de 2 plg) que se coloca en la máquina de pruebas y se le aplica una fuerza F que se le conoce como carga, midiendo a su vez el alargamiento de la probeta con ayuda de un instrumento llamado extensiometro. a. . 2. Máquina Universal: La máquina para ensayo universal es una máquina semejante a una prensa con la que es posible someter materiales a ensayos de tracción y compresión para medir sus propiedades. La presión se logra mediante placas o mandíbulas accionadas por tornillos o un sistema hidráulico. Esta máquina es ampliamente utilizada en la caracterización de nuevos materiales.

3. Esfuerzo o tensión: Se conoce como esfuerzo o tensión a la fuerza por unidad de área, el esfuerzo es una función de las fuerzas internas en un cuerpo que se producen pr la aplicación de las cargas exteriores. Se puede escribir como

σ0 =

P A0

a. b. Hay que señalar que existe una diferencia entre el esfuerzo nominal, el cual contempla el área de la sección transversal original y el esfuerzo real, donde es necesario el área en el instante que se desea calcular el esfuerzo. 4. Deformación: La deformación unitaria o ingenieril se define como el cambio de longitud por unidad de longitud, es decir

ε0 = a.

ΔL L0

5. Elasticidad: es la propiedad que hace que un cuerpo que ha sido deformado regrese a su forma original después de que se ha removido las fuerzas deformadoras. 6. Ley de Hooke: Como sabemos y podemos apreciar en las curvas de carga-elongación la relación entre estas dos variables es lineal, para valores relativamente bajos de deformación, esta relación se conoce como Ley de Hooke , entonces para describir el comportamiento en esta zona inicial de los materiales podemos escribir: a. σ =E ε 7. Diagrama carga v/s elongación: Cuando se aumenta gradualmente la carga axial por incrementos de carga, se mide el alargamiento de la longitud patrón para cada incremento, continuando de este modo hasta que se produce la rotura de la probeta. Así se obtiene un diagrama carga v/s elongación, donde los valores de carga se ubican como ordenada y los valores de la elongación como abscisas, el cual nos entrega puntos de interés a estudiar. 8. Límite de proporcionalidad: Es la máxima tensión que se puede producir durante un ensayo de tracción de modo que no haya deformación permanente o residual cuando se suprima la aplicación de la carga. 9. Punto de ruptura: Punto en que el material sufre una ruptura debido a la carga aplicada. 10. Estricción: Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran en la parte central de la probeta apreciándose una acusada reducción de la sección de la probeta, momento a partir del cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta por ese zona.

11 Bibliografía   

Guía de Laboratorio E981 “Ensayo de Tracción”, Depto. De Ingeniería Mecánica, USACH. Resistencia de Materiales; William Nash, capítulo 1: “Tracción y compresión” “Carga Estática Simple” , Universidad Tecnológica de Pereira .