Informe Laboratorio de tracción

 

 

Ingeniería  de  materiales  ME3601   Primavera  2011   Profesor:  Rodrigo  Palma  

               

                               

Probeta  Acero  al  Carbono  

                                 

Laboratorio  Nº1    

Ensayo  de   tracción  

 

 

 

 

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Ingeniería  de  materiales  ME3601   Primavera  2011   Profesor:  Rodrigo  Palma  

 

Índice    

ÍNDICE  

2  

INTRODUCCIÓN  

3  

OBJETIVOS  

4  

ANTECEDENTES  

5  

INFORMACIÓN  MATERIALES  ENSAYADOS   ACERO  SAE  1020   ACERO  SAE  1045   ALUMINIO  AA2017   BRONCE  SAE  640   TIPOS  DE  FRACTURA   NORMAS  TÉCNICAS  ENSAYO  DE  TRACCIÓN  

5   5   6   7   8   9   10  

PROCEDIMIENTO  EXPERIMENTAL  

11  

RESULTADOS  OBTENIDOS  

12  

DISCUSIÓN  DE  RESULTADOS  

17  

CONCLUSIONES  

19  

BIBLIOGRAFÍA  

20  

     

 

 

 

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Introducción  

  En  muchas  ocasiones  en  el  estudio  de  materiales  se  hace  necesario  conocer  las  cargas   que  son  capaces  de  soportar  diferentes  materiales.   Uno  de  los  procedimientos  que  se  realizan  para  llevar  a  cabo  este  estudio  es  el  ensayo   de  tracción.     Este  ensayo  corresponde  a  medir  la  carga  mientras  se  realiza  un  esfuerzo  sobre  una   probeta  de  un  material  especificado  cuyas  propiedades  conocemos  de  antemano.     Los  resultados  de  estos  ensayos  permiten  evaluar  que  material  será  el  utilizado  en  cada   situación  que  se  presente,  por  esto  es  muy  importante  la  rigurosidad  en  el  tratamiento   de  los  datos  y  de  los  resultados  obtenidos.     A  continuación  se  presenta  el  análisis  realizado  para  4  materiales  metálicos  diferentes   con  énfasis  en  sus  propiedades  físicas  estudiadas  durante  este  curso.      

 

 

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Objetivos  

  Los  objetivos  de  este  experimento  corresponden  a:     • Comparar  las  diferencias  entre  materiales  según  las  cargas  que  pueden  soportar.   • Relacionar  las  propiedades  vistas  en  clases  con  los  resultados  empíricos   obtenidos.   • Mostrar  las  diferencias  entre  los  resultados  ideales  y  los  prácticos.   • Clasificar  el  tipo  de  fractura  de  cada  material  según  los  resultados  obtenidos.        

 

 

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Antecedentes    

Información  materiales  ensayados       (1)   Acero  SAE  1020     Descripción     Acero  de  bajo  contenido  de  carbono  y  buena  soldabilidad.  De  baja  dureza  para  usos   convencionales  de  baja  exigencia.     Composición  química     Tabla  1.  Composición  química  Acero  SAE  1020   %  C   %  Mn   %  Si   %  P   0.18-­‐0.23   0.30-­‐0.60   0.15-­‐0.35   ≤  0.04  

%  S   ≤  0.05  

  Propiedades  mecánicas     Tabla  2.  Propiedades  mecánicas  Acero  SAE  1020   !! [MPa]   !!"# [MPa]   Modulo  de   Young  [GPa]   270   400-­‐450   205  (2)  

Dureza  [HB]   110-­‐130  

Ductilidad   [%]   20  

  Curva  de  tracción(3)     Imagen  1.  Curva  Esfuerzo-­‐Deformación  típica  de  un  acero  con  bajo  porcentaje  de  carbono  

    Aplicaciones  comunes     Bases  de  matrices,  soportes,  engranajes,  flanges,  perros  de  anclaje,  ejes,  cadenas,  bujes,   tornillería  corriente  y  pasadores  de  baja  resistencia.      

 

 

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Acero  SAE  1045     Descripción     Acero  de  mediano  contenido  de  carbono  utilizado  ampliamente  en  elementos   estructurales  que  requieran  resistencia  mecánica  y  tenacidad  a  bajo  costo.  Posee  baja   soldabilidad  y  excelente  forjabilidad.     Composición  química     Tabla  3.  Composición  química  Acero  SAE  1045   %  C   %  Mn   %  Si   %  P   0.43-­‐0.50   0.60-­‐0.90   0.15-­‐0.35   ≤  0.04  

%  S   ≤  0.05  

  Propiedades  mecánicas    

Tabla  4.  Propiedades  mecánicas  Acero  SAE  1045   !! [MPa]   !!"# [MPa]   Modulo  de   Young  [GPa]   400   630-­‐730   200  (4)  

Dureza  [HB]   170-­‐190  

Ductilidad   [%]   15  

  Curva  de  tracción(5)    

Imagen  2.  Curva  Esfuerzo-­‐Deformación  típica  de  un  acero  con  porcentaje  medio  de  carbono  

    Aplicaciones  comunes     Es  utilizado  en  todo  tipo  de  elementos  que  requieran  dureza  y  tenacidad  como  ejes,   manivelas,  chavetas,  pernos,  tuercas,  cadenas,  engranajes  de  baja  velocidad,  espárragos,   acoplamientos,  bielas,  pasadores,  cigüeñales,  y  piezas  estampadas.  Puede  ser  sometido  a   temple  y  revenido.          

 

 

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Aluminio  AA2017     Descripción     En  esta  aleación  la  adición  principal  es  el  cobre,  conjuntamente  con  el  magnesio  y  en   menor  cantidad  el  silicio.  Se  caracteriza  por  su  elevada  resistencia  mecánica  y  su   resistencia  al  calor.     Composición  química     Tabla  5.  Composición  química  Aluminio  AA  2017   %  Si   %  Fe   %  Cu   %  Mn   0.20-­‐0.80   0.70   3.50-­‐4.50   0.40-­‐1.00  

%  Mg   0.40-­‐0.80  

%  Cr   0.10  

%  Al   Resto  

  Propiedades  mecánicas    

Tabla  6.  Propiedades  mecánicas  Aluminio  AA  2017   !! [MPa]   !!"# [MPa]   Modulo  de   Young  [GPa]   215   370   75.7  (6)  

Ductilidad   [%]   10  

  Curva  de  tracción  (7)    

Imagen  3.  Curva  Esfuerzo-­‐Deformación  típica  de  un  Aluminio  

    Aplicaciones  comunes     Se  utiliza  en  piezas  que  requieran  de  alta  resistencia  a  la  tracción,  siendo  extensamente   usado  en  aplicaciones  mecánicas.        

 

 

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Bronce  SAE  640     Descripción     Aleación  entre  cobre  y  estaño.  En  dicha  aleación  el  cobre  supone  la  base  inicial  y  el   estaño  tiene  una  presencia  que  oscila  entre  el  3%  y  el  20%.     Composición  química     Tabla  7.  Composición  química  Bronce  SAE  640   %  Cu   %  Sn   %  Pb   %  Zn   85.0-­‐88.0   10.0-­‐12.0   1.0-­‐1.5   0.5  

%  Ni   0.8-­‐1.5  

  Propiedades  mecánicas     Tabla  8.  Propiedades  mecánicas  Bronce  SAE  640   !! [MPa]   !!"# [MPa]   Modulo  de   Young  [GPa]   160   280   80-­‐115  (8)  

Ductilidad   [%]   10  

  Curva  de  tracción  (9)     Imagen  4.  Curva  Esfuerzo-­‐Deformación  típica  del  bronce  

      Aplicaciones  comunes     Se  utiliza  en  bujes  de  biela,  cajas  de  cambio,  pasadores  de  pistón,  balancines,  descansos   y  guías  en  laminadores,  prensas  excéntricas,  grúas,  engranajes,  coronas  y  piñones          

 

 

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Tipos  de  fractura     (10)    

Una  fractura  es  la  separación  de  un  sólido  bajo  tensión  en  2  o  mas  piezas.  En  general,  la   fractura  metálica  puede  clasificarse  en  dúctil,  mixta  o  moderada  y  frágil.     Fractura  Frágil     La  fractura  frágil  se  produce  sin  que  se  aprecie  una  deformación,  esto  se  debe  a  una   propagación  rápida  de  una  grieta.   Generalmente  ocurre  a  lo  largo  de  planos  de  fractura,  es  decir,  perpendiculares  a  la   tensión  aplicada.     Fractura  Dúctil     La  fractura  dúctil  es  identificable  pues  comienza  con  la  formación  de  un  cuello  y  la   formación  de  espacios  en  la  zona  de  estrangulamiento.   Luego  estos  espacios  se  unen  y  dan  lugar  a  una  grieta,  esta  última  se  propaga  hacia  la   superficie  en  dirección  perpendicular  a  la  tensión  aplicada.   Cuando  se  acerca  a  la  superficie  ,  la  grieta  cambia  su  dirección  a  45º  con  respecto  al  eje   de  tensión  y  resulta  una  fractura  de  cono  y  embudo.     Fractura  Mixta     La  fractura  mixta  corresponde  a  una  mezcla  de  las  dos  anteriores,  es  decir,  con  ciertas   características  de  una  y  otras  de  la  otra.     Imagen  6.  Fotografías  de  tipos  de  fractura.  (a)  Fractura  dúctil.  (b)Fractura  frágil  

 

 

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Normas  técnicas  ensayo  de  tracción     Una  Norma  Técnica  de  Ensayo  corresponde  a  las  especificaciones  establecidas  para   mostrar  bajo  que  condiciones  se  realiza  el  experimento  y  son  muy  necesarias  para   poder  realizar  el  experimento  en  otra  ocasión  y  poder  comparar  los  resultados   obtenidos  teniendo  en  cuenta  la  menor  cantidad  de  variaciones  externas  posibles.     Para  un  ensayo  de  tracción  de  un  metal  un  norma  podría  establecer  la  forma  y  medidas   iniciales  de  la  probeta  (largo  y  ancho  en  sus  diferentes  zonas),  como  también  la   temperatura  a  la  que  se  realiza  el  ensayo  además  de  la  velocidad  con  que  se  aplica  la   carga.   Es  esencial  notar  que  si  alguna  de  las  variables  antes  anotadas  varía  entre  experimentos   para  un  mismo  material  los  resultados  serán  diferentes  y  no  tendría  casi  compararlos.     En  nuestro  caso  utilizamos  la  norma  chilena  NCh  200  que  establece:     !! = 5  ×  !     donde  !!  es  el  largo  inicial  y  D  el  diámetro  de  la  probeta.      

 

 

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Procedimiento  experimental  

  El  procedimiento  corresponde  al  ensayo  destructivo  de  tracción.   En  este  ensayo  se  coloca  una  probeta  en  una  maquina  que  ejerce  la  tensión  necesaria   para  deformar  el  material  mediante  dos  cabezales  que  fijan  por  mordazas  los  extremos   de  la  probeta.     En  nuestro  caso  la  máquina  a  utilizar  es  una  Instron  3369  de  movimiento  automático.   La  máquina  impone  la  deformación  desplazando  el  cabezal  móvil  a  una  velocidad   seleccionable.  La  celda  de  carga  conectada  a  la  mordaza  fija  entrega  una  señal  que   representa  la  carga  aplicada,  la  máquina  posee  un  plotter  que  grafica  en  un  eje  el   desplazamiento  y  en  el  otro  eje  la  carga  leída.     Imagen  6.  Instron  3369  

 

 

Etapas  del  ensayo     1. Se  Toman  las  medidas  de  largo  inicial  y  diámetro  inicial  de  cada  probeta   2. Se  fija  la  probeta  a  las  mordazas   3. Se  inicia  la  acción  de  la  máquina  antes  descrita.   4. Luego  de  la  rotura  se  procede  a  examinar  las  partes  de  la  probeta.   5. Se  mide  el  largo  y  el  diámetro  final  de  la  probeta.   6. Se  procede  con  otro  material  y  se  repiten  los  pasos  hasta  terminar.     Datos   Tabla  9.  Datos  obtenidos  en  el  experimento  

Material   Acero  SAE  1020   Acero  SAE  1045   Aluminio   AA2017   Bronce  SAE  640  

 

Diámetro  inicial   [mm]   5     5    

Longitud  Inicial   [mm]   80     72,7  

5   4,8  

70,2   69,7  

 

Velocidad  de  Carga   [mm/min]   5     5     3   5  

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Resultados  obtenidos  

  A  continuación  se  presentan  los  resultados  del  experimento  para  los  materiales  antes   investigados.     Acero  SAE  1020     Tipo  de  fractura:  Dúctil     Tabla  10.  Comparativa  entre  datos  esperados  y  calculados  para  el  Acero  SAE  1020  

Tipo  de   antecedente   Esperado   Calculado    

Módulo  de   Young  [GPa]   205   8,521736445  

Ductilidad   [%]   400-­‐450   20   651,1787191   5,75  

!! [MPa]  

!!"# [MPa]  

270   512,4917245  

Imagen  7.  Gráfico  Esfuerzo-­‐Deformación  Acero  SAE  1020  

Esfuerzo  [MPa]  

Acero  SAE  1020   GráGico  Esfuerzo-­‐Deformación   800   700   600   500   400   300   200   100   0  

Curva  Ingenieril   Curva  Real  

0  

0,05  

0,1  

0,15  

Deformación[mm]  

 

 

Imagen  8.  Partes  luego  de  la  fractura  Acero  SAE  1020  

 

 

 

 

 

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  Acero  SAE  1045     Tipo  de  fractura:  Dúctil     Tabla  11.  Comparativa  entre  datos  esperados  y  calculados  para  el  Acero  SAE  1045  

Tipo  de   antecedente   Esperado   Calculado    

Módulo  de   Young  [GPa]   200   10,7839761  

Ductilidad   [%]   630-­‐730   15   675,9673933   10,04  

!! [MPa  

!!"# [MPa]  

400   371,170855  

Imagen  9.  Gráfico  Esfuerzo-­‐Deformación  Acero  SAE  1045  

Esfuerzo  [MPa]  

Acero  SAE  1045   GráGico  Esfuerzo  -­‐  Deformación   800   700   600   500   400   300   200   100   0  

Curva  Ingenieril   Curva  Real  

0  

0,05  

0,1  

0,15  

Deformación[mm]  

 

 

Imagen  10.  Partes  luego  de  la  fractura  Acero  SAE  1045  

 

 

 

 

 

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Aluminio  AA  2017     Tipo  de  fractura:  Ductil     Tabla  12.  Comparativa  entre  datos  esperados  y  calculados  para  el  Aluminio  AA  2017  

Tipo  de   antecedente   Esperado   Calculado    

Módulo  de   Young  [GPa]   72-­‐75,7   4,267450534  

Ductilidad   [%]   370   10   213,2809763   8,97  

!! [MPa]  

!!"# [MPa]  

215   159,7484534  

Imagen  11.  Gráfico  Esfuerzo-­‐Deformación  Aluminio  AA  2017  

Aluminio  AA2017   GráGico  Esfuerzo  -­‐  Deformación   Esfuerzo  [MPa]  

250   Curva  Ingenieril  

200  

Curva  Real  

150   100   50   0   -­‐50  

0  

0,05  

0,1  

0,15  

Deformación[mm]  

 

  Imagen  12.  Partes  luego  de  la  fractura  Aluminio  AA  2017  

 

 

 

 

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Bronce  SAE  640     Tipo  de  fractura:  Frágil     Tabla  13.  Comparativa  entre  datos  esperados  y  calculados  para  el  Bronce  SAE  640  

Tipo  de   antecedente   Esperado   Calculado    

Módulo  de   Young  [GPa]   80-­‐115   4,287858819  

Ductilidad   [%]   280   10   450,5381663   18,15  

!! [MPa]  

!!"# [MPa]  

160   70,0744239  

Imagen  13.  Gráfico  Esfuerzo-­‐Deformación  Bronce  SAE  640  

Bronce  SAE  640   GráGico  Esfuerzo  -­‐  Deformación   Esfuerzo  [MPa]  

600  

Curva  Ingenieril  

500  

Curva  Real  

400   300   200   100   0   0  

0,05  

0,1  

0,15  

0,2  

0,25  

Deformación[mm]  

 

  Imagen  14.  Partes  luego  de  la  fractura  Bronce  SAE  640  

   

 

   

 

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Resumen  resultados     Tabla  14.  Resumen  resultados  obtenidos  para  los  materiales  mencionados.  

Material   Acero  SAE   1020   Acero  SAE   1045   Aluminio   AA2017   Bronce  SAE   640  

Módulo  de   Young   [GPa]   8,5217364 45   10,783976 1   4,2674505 34   4,2878588 19  

!! [MPa]  

!!"# [MPa]  

512,49172 45   371,17085 5   159,74845 34   70,074423 9  

651,17871 91   675,96739 33   213,28097 63   450,53816 63  

Ductilidad             Reducción  de  Área   [%]   [%]   5,75  

51  

10,04  

59,04  

8,97  

68,64  

18,15  

15,97  

  Tabla  15.  Tipo  de  fractura  para  cada  material.  

Material   Acero  SAE  1020   Acero  SAE  1045   Aluminio  AA2017   Bronce  SAE  640      

 

Fractura   Dúctil   Dúctil   Dúctil   Frágil    

 

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Discusión  de  resultados  

   Continuación  se  procede  a  realizar  una  discusión  de  los  resultados  obtenidos,  está  se   hará  tocando  diferentes  puntos  que  son  indispensables  para  el  entendimiento.     Comportamiento  de  cada  material  en  relación  a  las  propiedades  estudiadas     Si  bien  los  materiales  no  mostraron  resultados  similares  a  los  esperados  se  puede   apreciar  la  diferencia  entre  cada  uno  de  ellos  y  también  una  consecuencia  con  lo   estudiado  en  el  curso.     Así  un  material  con  un  modulo  de  elasticidad  mayor  tendrá  mayor  rigidez,  es  decir   alcanzará  el  límite  de  fluencia  antes  en  comparación  con  un  material  similar,  ejemplo  de   esto  son  los  resultados  obtenidos  para  los  aceros  pues  se  puede  ver  que  el  Acero  SAE   1045  tiene  un  limite  de  fluencia  menor  que  el  del  Acero  SAE  1020  que  es  mucho  mas   blando.     En  efecto  podemos  encontrar  dos  tipos  de  fracturas  analizando  los  resultados   obtenidos.   Primero  tenemos  la  fractura  dúctil  como  es  el  caso  de  los  primeros  3  materiales  y  luego   tenemos  el  caso  del  Bronce,  que  corresponde    una  fractura  frágil.   Estos  datos  son  consecuente  con  lo  analizado  y  visto  en  clases  ya  que  si  observamos  el   lugar  de  la  fractura  se  podrá  identificar  la  formación  de  un  cuello  y  la  ruptura  en  un   lugar  donde  hubiera  habido  una  falla.   Por  otra  parte  en  el  segundo  caso  se  observa  la  ausencia  de  cuello  y  la  fractura  se   produce  a  los  largo  de  un  plano  de  fractura.     Comparación  entre  los  materiales     Sin  lugar  a  duda  podemos  hacer  diferentes  comparaciones  de  los  materiales  con  los   resultados  obtenidos,  entre  estas  podemos  ordenarlos  según  su  fragilidad.     1. Bronce  SAE  640   2. Acero  SAE  1045   3. Acero  SAE  1020   4. Aluminio  AA  2017       El  ordenamiento  contrario  corresponde  a  ordenarlos  según  su  ductilidad.     Comparación  con  los  resultados  esperados     Los  resultados  obtenidos  presentan  significativas  variaciones  a  lo  esperado  en  la  gran   mayoría  de  las  situaciones,  esto  no  es  necesariamente  símbolo  de  error  en  la  medición   pues  hay  factores  no  controlables  al  momento  del  ensayo  que  pudieron  influir  de  alguna   manera.   Sin  embargo  y  pese  a  lo  anterior  las  curvas  de  esfuerzo-­‐deformación  son  muy  similares   a  las  esperadas  lo  que  nos  lleva  a  pensar  que  el  experimento  está  bien  realizado  y  que   las  diferencias  que  se  aprecian  en  las  tablas  comparativas  pese  a  no  ser  pequeñas  no   son  símbolo  de  una  inconcordancia  con  el  material  correspondiente.    

 

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  Posibles  fuentes  de  error     Entre  las  fuentes  de  error  podemos  establecer  dos  grandes  tipos,  las  que  son   modificables  como  la  temperatura  de  la  habitación  y  la  norma  ocupada  y  por  otro  lado   las  no  modificables  instantáneamente  como  es  la  composición  del  material  y  la  forma  de   la  probeta.     Sin  lugar  a  duda  de  la  primera  sección  descartamos  la  utilización  de  la  norma  incorrecta   pues  para  cada  material  se  tenia  una  tabla  correspondiente  a  la  norma  que  se  utilizaría,   sin  embargo  no  podemos  descartar  que  la  humedad  y  la  temperatura  de  la  habitación   hayan  afectado  el  experimento  pues  no  teníamos  forma  de  comprobar  que  se  haya   realizado  a  una  temperatura  constante  ni  el  valor  de  esta,  similar  caso  a  la  humedad.     Por  otro  lado  y  mucho  mas  significativamente  la  mas  probable  fuente  de  error  es  que  la   composición  del  material  no  haya  sido  la  indicada  en  términos  de  impurezas  o  que  no  se   haya  realizado  bien  el  proceso  de  fabricación  ya  que  en  materiales  metálicos  es   fundamental  el  buen  desarrollo  de  la  producción  pudiéndose  producir  en  esta  etapa  los   principales  problemas  que  generan  errores  en  las  mediciones.     Reproducción  del  experimento       Con  los  antecedentes  recopilados  y  teniendo  en  cuenta  que  conocemos  específicamente   los  datos  de  cada  material  es  muy  posible  realizar  un  experimento  y  encontrar   resultados  satisfactorios  para  la  posible  fuente  de  errores  y  la  nueva  comparación  de   datos.     Sin  lugar  a  dudas  es  la  etapa  de  normalización  lo  que  mas  ayuda  en  este  proceso  en  que   es  fundamental  tratar  de  repetir  las  condiciones  y  así  encontrar  posibles  errores.          

 

 

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Conclusiones  

  Concluimos  satisfactoriamente  la  experiencia  pues  se  cumplen  los  objetivos.   Mas  específicamente  logramos  caracterizar  cada  uno  de  los  materiales  según  los   antecedentes  y  que  estos  concordaran  con  los  resultados  obtenidos.     Además  se  logra  dar  solución  a  las  principales  interrogantes  sobre  la  forma  en  que   están  los  datos  y  el  por  que  de  su  variación  con  los  datos  esperados.     Sin  dudas  uno  de  los  puntos  mas  fructíferos  del  informe  es  la  de  la  consecuencia  de  los   resultados  con  lo  visto  en  clases  ya  que  es  de  las  mejores  formas  que  se  tienen  para   comprender  de  manera  técnica  como  sucede,  en  el  cotidiano,  el  tratamiento  y   comportamiento  del  material.     Finamente  podemos  comprender  empíricamente  la  diferencia  entre  los  tipos  de   fracturas  y  por  que  ciertos  materiales  sufren  tales  fracturas.        

 

 

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Bibliografía    

 

 

 

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