Ensayo de Tracción

Universidad Nacional Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica Informe de Laboratorio Nº 2 “

Ensayo de Tracción

”

Integrantes:  Valladares Martel, Alfredo Renato

20141235I

Zapata, Erwin Daniel  López Zapata,

20134507G

 Mori Ozambella, Joel Eduardo

20144067J

Curso: CIENCIA DE LOS MATERIALES MC 112 Profesor: Mario Ticona Sección: “D”

Fecha de entrega: 30 de Abril del 2015

Índice Pg.

1. Objetivo 2. Fundamento Teórico 3. Terminología Aplicable 3. 1. Uniaxial test 3.2. Discontinuous yielding 3.3. Elongation at fracture 3.4. Lower yield strength 3.5. Uniform elongation 3.6. Upper yield strength 3.7. Yield point elongation

4. Referencias 5. Recursos 5.1. Recursos Materiales 5.1.1. Probetas 5.1.1.1. Alumnio 5.1.1.2. Cobre 5.1.1.3. Bronce 5.1.1.4. SAE1010 5.1.1.5. SAE1045 5.1.2. Equipo 5. Recursos Humanos

6. Procedimientos de ensayo 7. Resultados 7.1. Verificación de medidas normalizadas 7.2. Tablas de fuerza/desplazamiento 7.2.1. Alumnio 7.2.2. Cobre 7.2.3. Bronce 7.2.4. SAE1010 7.2.5. SAE1045 7.3. Datos calculados 7.3.1. Alumnio 7.3.2. Cobre 7.3.3. Bronce 7.3.4. SAE1010 7.3.5. SAE1045 7.4. Gráficas obtenidas 7.4.1. Alumnio 7.4.2. Cobre 7.4.3. Bronce 7.4.4. SAE1010 7.4.5. SAE1045 7.5. Valores de propiedades mecánicas 7.6. Tabla de resumen 7.7. Gráfico comparativo

8. Conclusiones 9. Observaciones, Recomendaciones 10. Anexos 10.1. Anexo1 10.2. Anexo2

2 2 3 3 3 3 3 3 3 3

3 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5

5 7 7 8 8 8 9 9 10 10 10 11 11 12 12 13 13 13 14 14 15 15 15 16

16 17 17 17 17

1

1. Objetivo Presentar los datos obtenidos y en base a ellos realizar un análisis que nos permita entender las características de los materiales estudiados en el ensayo de tracción.

2. Fundamento Teórico El ensayo de tracción consiste en someter una probeta a dos fuerzas extensoras “F” crecientes hasta la rotura. Se tienen como datos iniciales el diámetro D 0  de la sección transversal de la probeta y la longitud L0 medida entre dos puntos de la probeta. (François Retalliau, 1982) El objetivo de este ensayo es obtener curvas carga/desplazamiento que luego puedan ser traducidas a curvas de tensión/deformación unitaria. Para ello podemos usar las relaciones que nos proporcionan la ecuación 1 y 2. (Michael F. Ashby, 2008)

 

 

 

 

 

(1) (2)

Sin embargo estas relaciones consideran un área transversal y una longitud constante. A la curva producto de estas consideraciones se le denomina curva de esfuerzo ingenieril. Sin embargo, si tomamos en cuenta las relaciones de las ecuaciones 3 y 4 obtendremos una curva real de tensión/deformación unitaria. Las diferencias entre estas gráficas se pueden observar en la figura 1.

  (  ) 

(3)

  (  ) 

(4)

Figura 1. Gráfica ingenieril y real del esfuerzo vs deformación unitaria. (Kalpakjian, Serope y Schmid, 2002)

2

3. Terminología aplicable 3.1.  Uniaxial test (Ensayo uniaxial): Se refiere a los ensayos de tracción en los cuales sobre la probeta de ensayo solo actúan dos fuerzas colineales, de igual magnitud y sentido contrario.

3.2.  Discontinuous yielding  (Fluencia discontinua): En ensayos uniaxiales, una oscilación o fluctuación de la fuerza es observada en el inicio de la deformación plástica, debido a la fluencia localizada.

3.3. Elongation at fracture (Alargamiento de rotura): Es el alargamiento medido justo antes de la disminución repentina de la fuerza asociada con la fractura. Para muchos materiales que no presentan una disminución repentina en la fuerza, el alargamiento de rotura se puede tomar como la tensión medida justo antes de que la fuerza cae por debajo de 10% de la fuerza máxima encontrada durante la prueba.

3.4.  Lower yield strength (límite elástico inferior): En una prueba uniaxial, la tensión mínima registrada durante la fluencia discontinua, ignorando los efectos transitorios.

3.5. Uniform elongation (elongación uniforme): Refiere a la elongación determinada en la fuerza máxima sostenida por la pieza de ensayo justo antes de la formación de cuellos o fractura, o ambos. La elongación uniforme incluye elongación elástica y plástica.

3.6.  Upper yield strength (límite elástico superior): En una prueba uniaxial, el primer valor máximo de tensión (primera pendiente cero) asociada con la fluencia discontinua cerca al inicio de la deformación plástica.

3.7.  Yield point elongation (elongación de fluencia): En una prueba uniaxial, la deformación (expresada en porcentaje) separando el primer punto, de pendiente cero de la curva tensióndeformación, del punto de transición de la fluencia discontinua al endurecimiento por deformación uniforme.

4. Referencias     

ASTM A370. Standard Test Method and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products. ASTM E8. Standard Test Method for Tension Testing of Metallic Materials. François Retalliau, Cálculos y ensayos. Estudio de los proyectos: II , 2° edición, España, p.1813, 1982. Michael F. Ashby, Materiales para ingeniería 1. Introducción a las propiedades, las aplicaciones y el diseño, edición 2008, España, p.106, 2008. Kalpakjian, Serope y Schmid, Steven R., Manufactura, ingeniería y tecnologí a, 4 edición, México, p.p. 60,61, 2002.

3

5. Recursos 5.1 Recursos Materiales 5.1.1. Probetas 5.1.1.1. Aluminio 

1 Probeta.  6.20 mm de diámetro inicial y 25.40mm de longitud de referencia inicial.  De fácil mecanizado.  Resistencia última: 160-200 N/mm².

Figura 2. Probeta de aluminio antes del ensayo.

5.1.1.2. Cobre     

1 Probeta. 6.25 mm de diámetro inicial y 25.40mm de longitud de referencia inicial. De fácil mecanizado. Resistencia última: 363-402.21 N/mm². Resistencia de fluencia:353.16 N/mm².

Figura 3. Probeta de cobre antes del ensayo.

5.1.1.3. Bronce 

1 Probeta.  6.12 mm de diámetro inicial y 25.40mm de longitud de referencia inicial.  Resistencia última: 300-900 N/mm². Figura 4. Probeta de bronce.

5.1.1.4. SAE 1010 

1 Probeta.  5.92 mm de diámetro inicial y 25.40mm de longitud de referencia inicial.  Resistencia última: 370 N/mm².  Resistencia de fluencia:300 N/mm².

Figura 5. Probeta de SAE 1010 antes del ensayo.

5.1.1.5. SAE 1045 

1 Probeta.  6.33 mm de diámetro inicial y 25.40mm de longitud de referencia inicial.  Resistencia última: 630 N/mm².  Resistencia de fluencia:530 N/mm².

Figura 6. Probeta de SAE 1045 antes del ensayo.

4

5.1.2. Equipo 5.1.2.1. Máquina de tracción del Laboratorio 4 de la FIM-UNI.

Figura 7. Máquina de tracción utilizada en el ensayo.

5.2. Recursos humanos Técnico capacitado del laboratorio 4 de la facultad de ingeniería mecánica de la UNI.

6. Procedimientos de ensayo 6.1. Realizar las mediciones de condición inicial de la probeta a ensayar, los datos a medir más importantes en este paso son la longitud de referencia inicial y el diametro inicial. En el caso que se deseen medidas normalizadas, en este paso no se medirá, si no que se preparará la probeta.

Figura 8. Imagen de referencia para el paso 1.

5

6.2. Colocar el papel milimetrado en la posición mostrada, de forma que podamos obtener una distribución que tomaremos por gráfica de carga/desplazamiento.

Figura 9. Imagen de referencia para el paso 2.

6.3. Colocar la probeta en la máquina de tracción, asegurando que ésta esté bien sujetada por las garras de la máquina.

Figura 10. Imagen de referencia para el paso 3.

6.4. Aplicar la carga, ésta irá aumentando de forma gradual, por lo que es necesario observar los datos de carga que nos muestra el “reloj” de la máquina, así como observar comportamientos extraños que nos indiquen el momento en el cual el material se encuentra en el Yield point elongation y podamos medir la carga de fluencia.

6

Figura 10. Imagen de referencia para el paso 4.

6.5. Finalmente, obtener valores de carga máxima y/o rotura si se cree conveniente. En muchos casos obtener estos datos es más fácil de obtener que la carga de fluencia, pues los comportamientos extraños dependen del material, por lo cual no siempre existirán. Para obtener nuestros datos es necesario llevar a la probeta hasta la rotura, y con el uso del “reloj” de la

máquina medir las cargas que marcan la manecilla negra y roja.

Figura 11. Imagen de referencia para el paso 5.

7. Resultados 7.1. Verificación de medidas normalizadas. 

Aluminio: Normalizado. (Sus mediadas se encuentran en el rango d e Small – Size Specimens Proportional to Standard )



Cobre: Normalizado. (Sus mediadas se encuentran en el rango de Small – Size Specimens Proportional to Standard )



Bronce: No normalizado. (Su medida de diámetro escapa por muy poco del rango normalizado)



SAE 1010: No normalizado. (Su medida de diámetro escapa del rango normalizado)



SAE 1045: Normalizado. (Sus mediadas se encuentran en el rango de Small – Size Specimens Proportional to Standard )

7

7.2. Tablas de fuerza/desplazamiento obtenidas:

7.2.1. Aluminio Tabla 1. Fuerza/desplazamiento en el aluminio.

Fuerza

∆L 

Observación

0.00kgf

0.00mm

-

500.00kgf

0.23mm

-

576.92kgf

0.44mm

-

653.85kgf

0.67mm

-

676.92kgf

0.89mm

-

692.31kgf

1.78mm

-

700.00kgf

2.22mm

Máximo esfuerzo

692.31kgf

2.66mm

-

653.85kgf

3.55mm

-

576.92kgf

4.44mm

Rotura

7.2.2. Cobre Tabla 2. Fuerza/desplazamiento en el cobre.

Fuerza

∆L 

Observación

0.00kgf

0.00mm

-

1090.00kgf

0.80mm

Máximo esfuerzo

1082.38kgf

1.00mm

-

1038.17kgf

1.34mm

-

993.96kgf

1.69mm

-

945.17kgf

1.98mm

-

899.44kgf

2.33mm

-

762.24kgf

2.93mm

-

743.94kgf

3.06mm

-

728.70kgf

3.26mm

-

686.01kgf

3.66mm

Rotura

8

7.2.3. Bronce Tabla 3. Fuerza/desplazamiento en el bronce.

Fuerza

∆L 

Observación

0.00kgf

0.00mm

-

9.84kgf

0.21mm

-

19.68kgf

0.44mm

-

89.95kgf

0.68mm

-

1145.41kgf

1.27mm

-

1236.76kgf

1.48mm

-

1264.86kgf

1.61mm

-

1335.14kgf

1.82mm

-

1405.41kgf

2.24mm

-

1444.76kgf

2.33mm

-

1513.62kgf

2.96mm

-

1534.70kgf

3.39mm

-

1560.00kgf

4.45mm

Máximo esfuerzo

1534.70kgf

5.08mm

Rotura

7.2.4. SAE1010 Tabla 4. Fuerza/desplazamiento en el SAE1010.

Fuerza

∆L 

Observación

0.00kgf 49.26kgf 911.30kgf 972.87kgf 1034.45kgf

0.00mm 0.41mm 1.09mm 1.50mm 1.77mm

-

1126.81kgf 1234.57kgf 1280.75kgf 1319.23kgf 1320.00kgf 1319.23kgf

2.32mm 3.14mm 3.69mm 4.50mm 5.32mm Máximo esfuerzo 5.87mm -

1280.75kgf 1126.81kgf 1065.24kgf

7.23mm 8.30mm 8.60mm

Rotura

9

7.2.5. SAE1045 Tabla 5. Fuerza/desplazamiento en el SAE1045.

Fuerza

∆L 

0.00kgf 805.88kgf 952.94kgf 1247.06kgf 1541.18kgf 1688.24kgf 1835.29kgf 1982.35kgf 2276.47kgf 2482.35kgf 2570.59kgf 2600.00kgf 2570.59kgf 2482.35kgf 2423.53kgf 2332.35kgf

Observación 0.00mm 0.06mm 0.26mm 0.39mm 0.51mm 0.77mm 1.03mm 1.28mm 1.80mm 2.57mm 3.08mm 3.53mm Máximo esfuerzo 4.36mm 5.13mm 5.39mm 6.16mm Rotura

7.3. Datos calculados en base a las tablas 1-5 y condiciones de longitud inicial.

7.3.1. Aluminio Tabla 6. Esfuerzos y deformaciones unitarias en el aluminio.

σing (kgf/mm²)

ξing(mm/mm)

σreal (kgf/mm²)

ξreal (mm/mm)

0.00

0.00

0.00

0.00

16.56

0.01

16.71

0.01

19.11

0.02

19.44

0.02

21.66

0.03

22.23

0.03

22.42

0.03

23.21

0.03

22.93

0.07

24.53

0.07

23.19

0.09

25.21

0.08

22.93

0.10

25.34

0.10

21.66

0.14

24.69

0.13

19.11

0.17

22.45

0.16

10

7.3.2. Cobre

Tabla 7. Esfuerzos y deformaciones unitarias en el cobre.

σing (kgf/mm²)

ξing(mm/mm)

σreal (kgf/mm²)

ξreal (mm/mm)

0.00

0.00

0.00

0.00

35.53

0.03

36.65

0.03

35.28 33.84

0.04 0.05

36.67 35.63

0.04 0.05

32.40 30.81

0.07 0.08

34.55 33.21

0.06 0.08

29.32 24.85

0.09 0.12

32.01 27.71

0.09 0.11

24.25

0.12

27.17

0.11

23.75 22.36

0.13 0.14

26.80 25.58

0.12 0.13

7.3.3. Bronce

Tabla 8. Esfuerzos y deformaciones unitarias en el bronce.

σing (kgf/mm²)

ξing(mm/mm)

σreal (kgf/mm²)

ξreal (mm/mm)

0.00

0.00

0.00

0.00

0.33 0.67 3.06

0.01 0.02 0.03

0.34 0.68 3.14

0.01 0.02 0.03

38.94 42.04 43.00 45.39 47.78 49.11

0.05 0.06 0.06 0.07 0.09 0.09

40.88 44.50 45.72 48.64 52.00 53.62

0.05 0.06 0.06 0.07 0.08 0.09

51.45 52.17 53.03 52.17

0.12 0.13 0.18 0.20

57.46 59.13 62.31 62.61

0.11 0.13 0.16 0.18

11

7.3.4. SAE1010

Tabla 9. Esfuerzos y deformaciones unitarias en el SAE1010.

σing (kgf/mm²)

ξing(mm/mm)

σreal (kgf/mm²)

ξreal (mm/mm)

0.00

0.00

0.00

0.00

1.79 33.16 35.40 37.65 41.01 44.93

0.02 0.04 0.06 0.07 0.09 0.12

1.82 34.59 37.50 40.28 44.75 50.48

0.02 0.04 0.06 0.07 0.09 0.12

46.61 48.01 48.04 48.01 46.61 41.01 38.77

0.15 0.18 0.21 0.23 0.28 0.33 0.34

53.37 56.52 58.11 59.10 59.88 54.41 51.89

0.14 0.16 0.19 0.21 0.25 0.28 0.29

7.3.5. SAE1045

Tabla 10. Esfuerzos y deformaciones unitarias en el SAE1045.

σing (kgf/mm²)

ξing(mm/mm)

σreal (kgf/mm²)

ξreal (mm/mm)

0.00

0.00

0.00

0.00

25.61

0.00

25.67

0.00

30.28

0.01

30.59

0.01

39.63

0.02

40.23

0.02

48.97

0.02

49.96

0.02

53.65

0.03

55.27

0.03

58.32

0.04

60.68

0.04

62.99

0.05

66.17

0.05

72.34

0.07

77.45

0.07

78.88

0.10

86.85

0.10

81.68

0.12

91.59

0.11

82.62

0.14

94.10

0.13

81.68

0.17

95.72

0.16

78.88

0.20

94.82

0.18

77.01

0.21

93.35

0.19

74.11

0.24

92.09

0.22 12

7.4. Gráficas obtenidas mediante los puntos tabulados de las tablas 6-10.

7.4.1. Aluminio

Figura 12. Esfuerzo/deformación real vs ingenieril en el aluminio. (Realizado con Autocad 2015-Student Version

7.4.2. Cobre

Figura13. Esfuerzo/deformación real vs ingenieril en el cobr e. (Realizado con Autocad 2015-Student Version

13

7.4.3. Bronce

Figura 14. Esfuerzo/deformación real vs ingenieril en el bronce. (Realizado con Autocad 2015-Student Version

7.4.4. SAE1010

Figura 15. Esfuerzo/deformación real vs ingenieril en el SAE1010. (Realizado con Autocad 2015-Student Version

14

7.4.5. SAE1045

Figura 16. Esfuerzo/deformación real vs ingenieril en el SAE1045. (Realizado con Autocad 2015-Student Version

7.5. A partir de las gráficas mostradas en las figuras 12-16, se pueden calcular valores de propiedades mecánicas que se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 11. Módulos de elasticidad, resiliencia, tenacidad y porcentaje de estricción experimentales en los materiales.

Material Aluminio Cobre Bronce SAE1010 SAE1045

E (kgf/mm²)

R (kgf/mm²)

T (kgf/mm²)

%ѱ (mm²/mm²)

0.0287

1.68

24.78

45.19

0.0142

6.64

30.59

51.75

0.0256

5.91

47.98

19.41

0.0296

3.99

53.78

51.82

0.1970

1.84

88.62

37.96

7.6. Tabla de resumen Tabla 12. Resumen de los datos hallados en el presente informe

Material Aluminio Cobre Bronce SAE1010 SAE1045

σf (kgf/mm²)

σmax (kgf/mm²)

σrot (kgf/mm²)

20.54

23.19

19.11

30.97

35.53

22.36

49.60

53.03

52.17

33.48

48.04

38.77

52.11

82.62

74.11

15

7.7. Podemos visualizar mejor los datos obtenidos en el siguiente gráfico comparativo:

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 σf (kgf/mm²)

σmax (kgf/mm²)

Aluminio

Cobre

σrot (kgf/mm²)

Bronce

ξ Rotura

SAE1010

%ѱ

SAE1045

Figura 17. Gráfico comparativo de ciertas propiedades mecánicas en los materiales ensayados.

8. Conclusiones 

Se concluye de las tablas 1-10 que tal como se suponía, las gráficas de carga/deformación y de esfuerzo/deformación unitaria real son similares, pues sus pares ordenados son proporcionales, aunque en diferentes constantes, por lo que la gráfica se puede ensanchar o alargar.  Se concluye de la observación de la tabla de resumen y de las propiedades de los materiales usados que nuestros datos en el caso del aluminio, SAE1010 y SAE1045 pueden mostrarnos que han sido modificados ligeramente y sus propiedades han aumentado muy poco. El error en caso que hubiesen sido puros sería de una media de 15.95%, 11.6% y 1.7% respectivamente. En los casos del cobre y bronce, los datos probablemente han sido correctos, pues en el cobre existe un error de 0.6% y en el bronce existe un rango dependiendo de la aleación, por lo cual nuestros datos obtenidos nos podrían ayudar a determinar el material específico que se utilizó en este caso.  Se concluye que la gráfica de esfuerzo real toma otro rumbo, por lo cual se nota que aporta diferentes datos, que quizá en ciertas condiciones necesiten ser tomados en cuenta.  Se concluye que el ensayo de tracción nos brinda una gran cantidad de datos respecto al material estudiado. Ergo es necesario y por ello de gran uso en el campo industrial.

16

9. Observaciones 

 





Se observa que el cuidado en este tipo de ensayos es importante, se debe realizar de manera estructurada, pues realizar las mediciones inici ales incorrectamente desataría una serie de datos erróneos. Se observa que no es necesario trabajar con medidas normalizadas, sin embargo, trabajar con estas facilita el trabajo realizado y optimiza el análisis. Se observa que los materiales empleados tienen propiedades diversas, lo cual se observa en las gráficas obtenidas, en el comportamiento de fluencia experimental, y en los valores representativos del ensayo de tracción. Se observó en el laboratorio que en algunos casos la resistencia de un material puede retrasar el fin del experimento he incluso podría superar la gama de cargas que tiene el equipo usado. También se observa que en estos casos, el cuerpo desprende calor. Se observa que los cálculos realizados en el presente informe podrían automatizarse programando un software, lo cual simplificaría y sofi sticaría el ensayo de laboratorio.

10. Anexos 10.1. Anexo1. Tabla de datos de laboratorio

Tabla 13. Datos iniciales y finales que se usaron en los cálculos de las tablas anteriores.

Material Aluminio Cobre Bronce SAE 1010 SA1045

Diámetro 0 6.20mm 6.25mm 6.12mm 5.92mm 6.33mm

Longitud 0

Fza fluencia

Carga máx.

620kgf 950kgf 920kgf 1640kgf

700kgf 1090kgf 1560kgf 1320kgf 2600kgf

25.40mm 25.40mm 25.40mm 25.40mm 25.40mm

Diametro f 4.04mm 3.65mm 5.31mm 3.45mm 4.55mm

Longitud f

Fza rotura

29.84mm 29.06mm 30.48mm 34.00mm 31.56mm

10.2 Anexo2. Normalizaciones de la ASTM E8

17

600kgf 1000kgf -