Informe Laboratorio de tracción
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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
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INTRODUCCIÓN
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OBJETIVOS
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ANTECEDENTES
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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
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RESULTADOS OBTENIDOS
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DISCUSIÓN DE RESULTADOS
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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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