Procesos de Fabricación I. Guía 1 1

RESISTENCIA DE MATERIALES

Resistencia de Materiales. Guía 1

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Tema: ENSAYO DE TRACCIÓN. Contenidos Módulo de elasticidad Límite de elasticidad Resistencia de fluencia Resistencia última Resistencia a la rotura Resiliencia Tenacidad Elongación Reducción de área

Objetivos Específico Al finalizar la práctica el alumno será capaz de: 

Describir el desarrollo del ensayo de tracción, ejecutada de acuerdo a la norma ASTM A-615 en máquinas de tamaño adecuado, con personal especializado y con tecnología reciente en nuestro país, y conocer los resultados obtenidos.



Elaborar la gráfica esfuerzo deformación del mismo, con el cual calculará para el material sometido a carga uniaxial las propiedades de: a- Módulo de elasticidad b- Límite de Elasticidad c- Resistencia de fluencia d- Resistencia última e- Resistencia a la rotura f- Resiliencia g- Tenacidad h- % de elongación i- % de reducción de área

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Marco Teórico

Para conocer el comportamiento de los componentes o piezas de una estructura en distintas situaciones, sometemos los materiales con las que fueron fabricados a una diversidad de ensayos y pruebas; el ensayo destructivo más importante es el ensayo de tensión, debido a la diversidad de parámetros que es posible medir a partir del mismo. Para realizar este ensayo, se debe elaborar una muestra del material, a la que llamaremos probeta, exactamente del mismo material de que está hecha la pieza y colocarla en una máquina especial, la que consiste básicamente de un marco muy resistente y dos mordazas, una fija y otra móvil. La máquina cuenta con sensores de carga (fuerza aplicada a la probeta), y de desplazamiento, así como un dispositivo que elabora la gráfica del ensayo. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la Figura 1. La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad (en milímetros por minuto: mm/min) previamente seleccionada. La celda de carga conectada a la mordaza fija genera una señal eléctrica proporcional a la carga aplicada, en un eje se gráfica el desplazamiento y en el otro eje la carga leída.

FIGURA No. 1.

1. CONDICIONES AMBIENTALES. Salvo especificación en contrario, el ensayo se lleva a cabo a la temperatura ambiente (entre 10° y 35° C). Para los ensayos que deban realizarse en condiciones controladas, la temperatura ambiente deberá mantenerse a (23 + 5) ° C.

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2. PROBETAS, FORMA Y MEDIDAS

La forma y las medidas de las probetas dependen de los materiales y aplicaciones cuyas características mecánicas se desean determinar. La probeta se obtendrá, generalmente, por mecanizado de una muestra obtenida del producto o de una muestra moldeada. En el caso de productos de sección constante (perfiles, barras, alambres, cables etc.) o de las muestras en forma de barras obtenidas por moldeo (por ejemplo: fundición o aleaciones no férreas) se pueden utilizar como probetas las muestras sin mecanizar. La sección recta transversal puede ser circular, cuadrada, rectangular, anular o, en ciertos casos particulares, de otras formas. Probetas mecanizadas: Las probetas mecanizadas deberán tener un radio de acuerdo suave entre la parte calibrada y las cabezas de amarre, ya que ambas partes son de diferente medida, esto se hace con el propósito de disminuir la concentración de esfuerzos. Las cabezas de amarre pueden ser de cualquier forma que se adapte a los dispositivos de sujeción de la máquina de ensayo. En la tabla 1 se muestran las dimensiones normalizadas de probetas cilíndricas. La figura 2 indica las dimensiones a que se refiere la tabla 1. Seleccionaremos la probeta ASTM para

ejecutar los ensayos.

Tabla 1: Dimensiones normalizadas de probetas cilíndricas, normales y reducidas, según norma ASTM E-8M. DIMENSIONES (mm) Probetas

L0

D

Lc

r

12.5

62.5 ± 0.1

12.5± 0.1

75

10

9

45.0 ± 0.1

9.0 ± 0.1

54

8

6

30.0 ± 0.1

6.0 ± 0.1

36

6

4

20.0 ± 0.1

4.0 ± 0.1

24

4

2.5

12.5 ± 0.1

2.5 ± 0.1

20

2

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4

Fig. 2 Probeta normalizada

3. PARÁMETROS A OBTENER A PARTIR DEL ENSAYO: A

partir

del

ensayo

de

tensión

podremos

obtener

los

parámetros

mencionados

anteriormente, usualmente, la máquina de tensión proporciona la gráfica del ensayo (ver figuras 3 y 4); y a partir del estudio del mismo, determinamos el valor de los diferentes parámetros. También es frecuente que la misma máquina proporcione en forma

impresa

los

valores

de

resistencia

última

en

tensión,

fuerza

máxima,

resistencia de fluencia.

A continuación observamos dos gráficas, la fig.3 muestra una gráfica de fuerza contra deformación, la figura 4 muestra una gráfica de esfuerzo técnico contra deformación técnica unitaria.

Fig. 3 Gráfica fuerza contra deformación

Fig. 4 Gráfica esfuerzo técnico contra deformación unitaria

Aunque ambas se parecen mucho, para un análisis general, es más útil la gráfica 4 que la 3, ya que la gráfica 3 depende de las dimensiones de la probeta, en cambio

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la gráfica 4 representa el comportamiento del material en un ensayo uniaxial sin importar las dimensiones de la probeta. En la figura 4 observamos que desde el origen de coordenadas sale una línea recta, esta pendiente o inclinación de la recta representa el módulo de elasticidad del material (E), es decir la cantidad de fuerza por unidad de área requerida para producir una cantidad unitaria de deformación. Todas las piezas en servicio están diseñadas para trabajar en este rango. Pieza que se somete a un esfuerzo superior al de la parte recta, sufre una deformación permanente y ya no es segura para desempeñar su función, por lo que se debe descartar y sustituir por una nueva pieza, a menos que el propósito sea producir una deformación permanente, como sucede en varios procesos de fabricación como el trefilado, la forja, el embutido. Para medir esta pendiente es necesario generalmente efectuar una ampliación de la figura en esa zona, de lo contrario, esta parte recta da la impresión de ser vertical (en los aceros la pendiente usualmente es de 200 MPa). Otro parámetro de interés es el límite de elasticidad, que en el caso de la gráfica 4, también coincide con la resistencia de fluencia (o cedencia), y es el punto en el extremo superior de la recta. La importancia de este parámetro es que señala el límite a partir del cual las deformaciones no solamente serán elásticas, sino que también plásticas (permanentes). Uno de los parámetros más importantes en el ensayo de tensión es la resistencia última o resistencia de tensión. Este punto es el de mayor valor de la gráfica en el eje de las ordenadas (σm en la gráfica 4) y en los materiales frágiles sirve de referencia para el factor de seguridad. Una pieza que tiene un factor de seguridad de tres, por ejemplo, está diseñada para soportar en uso un esfuerzo cuyo máximo valor es la tercera parte de su resistencia de tensión, o en otras palabras, falla totalmente si se le aplica el triple de los esfuerzos para los que fue diseñada. El ensayo de dureza también tiene una correlación con este valor. Por ejemplo, si la dureza Brinell de un acero es de 400, también significa que la resistencia última es de 200,000 psi (es decir 28.5 MPa), ya que la resistencia última es igual a la dureza multiplicada por 500. Al final de la gráfica tenemos un punto que indica la resistencia de rotura, el cual también es tomado en algunos casos como referencia de que tan cerca puede estar un esfuerzo de la falla de rotura. El área (triángulo formado por la recta que parte desde cero, hasta llegar al punto de fluencia, y luego abatiendo para leer el valor de la abscisa) se le llama RESILIENCIA y representa la energía por unidad de volumen que absorbe el material en la región elástica, una de sus utilidades es la selección de materiales aptos para construir resortes; entre mayor es el área mencionada, más energía por unidad de volumen puede almacenar el material, lo cual es deseable en toda pieza que funcione absorbiendo energía y después regresarla al disminuir la deformación. En

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la figura 5 se observa lo antes mencionado.

Fig. 5. El último punto representa

Fig. 6. El último punto de la gráfica es la

el límite elástico del material,

resistencia

el área bajo la curva representa

curva representa la tenacidad del material

a

la

rotura,

el

área

bajo

la

la resiliencia del material

El área total bajo la curva de la Fig. 6 representa la energía que absorbe el material al deformarse hasta la rotura, propiedad llamada TENACIDAD, los materiales tenaces (soportan mucha deformación antes de romperse) son deseables en aquellas piezas expuestas a los choques, ya que absorben buena parte de la energía del choque y evitan que la energía se transmita dañando producto o al personal en un vehículo. Por ejemplo, es usual decir que los vehículos no los hacen como antes, ya que

un

ligero

golpe

produce

una

gran

abolladura,

pero

ahí

el

material

está

desempeñando su función al absorber la energía del choque. Otro ejemplo es la de los edificios, los cuales, en sus columnas llevan un alma de barras o varillas de acero, que en caso de terremoto absorberán energía, disminuyendo la posibilidad de una catástrofe. Los dos parámetros restantes se miden posterior al rompimiento de la probeta, tiene que ver con la ductilidad del material ensayado (capacidad de deformarse antes de romperse) y son: El % de elongación y el % de reducción de área. Para medir el % de elongación se toman de referencia los dos puntos hechos con el punzón en la probeta antes del ensayo, la tabla 1 indica la distancia original (distancia L0); después de la rotura, las dos partes de la probeta vuelven a unirse y se procede a medir la deformación permanente ΔL (Lrotura-L0) entre los dos puntos,

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la cual será mayor por el estiramiento de la probeta, Esta deformación se divide entre el L0 original multiplicado por el 100 %, es el % de elongación. A mayor % de elongación de un

material más dúctil es. Es decir: ε = (ΔL/L0)x100 %

Fig. 6

Probeta después del ensayo de tracción.

Para medir el % de reducción de área, se calcula el área original con el diámetro D de la tabla 1, después de la rotura, se unen las dos partes y se mide la parte mas delgada de la rotura, con esto se calcula el área final. El % de reducción de área se obtiene restando al área original la final y dividiendo esta resta entre el área original. % R.A: = [(A0 – Af)/A0] x100 %.

Descripción del ensayo Elaborada la probeta del material a ensayar, se marca sobre ella dos puntos con un granete o punzón, separados una longitud L0, tal como lo indican la tabla 1 y la figura 2. Se monta la probeta en las mordazas de la prensa, se fija el extensómetro a los puntos marcados con el granete y se aumenta la carga F con una velocidad v = 10 mm / min, al llegar al momento en que la carga deje de aumentar, o incluso disminuya ligeramente, estaremos en la región de fluencia; posteriormente veremos un aumento gradual en la carga hasta llegar a un máximo, cerca del cual comenzará a formarse un “cuello” o estricción (adelgazamiento) de la probeta que irá acompañado de una ligera reducción de la carga hasta alcanzar la carga de rotura. Si inmediatamente después de la rotura se toca la parte más deformada, se detectará un calentamiento de la zona debido a la deformación de la misma.

Procedimiento 1.- Identificación de los materiales proporcionados. No

olvide

tomarle

fotos

a

la

probeta,

antes

y

después

del

permitido, tomar un video del ensayo. Llene la siguiente tabla.

ensayo,

si

fuera

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Tabla 1 Material

Descripción

Dimensiones iniciales

observaciones

Aceros

Aluminio

2.- Mida en las probetas ensayadas la distancia entre los puntos, y el diámetro mínimo en la zona de estricción y calcule el % de elongación y el % de reducción de área y anótelos en la siguiente tabla Tabla 2 Material

Dimensiones finales

% de elongación

% de reducción de área

3.- A partir del gráfico obtenido mediante el ensayo, determine: El módulo de elasticidad,

la

resistencia

de

fluencia,

la

resistencia

a

la

tracción,

resistencia de rotura, la resiliencia y la tenacidad y llene la siguiente tabla. Tabla 3 Tipo de material

Propiedad Modulo elástico (GPa) Resistencia de fluencia (MPa) Resistencia última (MPa)

acero

acero

aluminio

la

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Resistencia de rotura (MPa) Resiliencia (MPa)

Tenacidad (MPa)

4.- Investigue las propiedades de uno de los materiales ensayados, tome en cuenta el

estado

de

entrega,

complete

la

tabla

con

la

información

investigada

y

la

solicitada Tabla 4 Tipo de material: Propiedad

Según ensayo

Según la

% de diferencia

investigación Modulo elástico (GPa) Resistencia de fluencia (MPa) Resistencia última (MPa) Resistencia de rotura (MPa) Resiliencia (MPa)

Tenacidad (MPa)

% de elongación % de reducción de área

5.- Anote toda otra información y observación relevante para la interpretación de resultados

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Análisis de resultados Discusión 1. Indique la norma bajo la cual se efectuó lo ensayo 2. Mencione, citando la norma, los aspectos que no se cumplieron durante el ensayo 3. Indique si se siguió estrictamente la norma bajo la cual se efectuó el ensayo

Investigación

Complementaria

a) Estudie como referencia, antes del laboratorio las Norma ASTM – A 615 y ASTM – A 564, o sus equivalentes. b) Propiedades de los materiales ensayados en sitios confiables

Referencias 1. Ferdinand P.Beer y otros, Mecánica de Materiales,

5a. Ed. McGraw - Hill,

México, 2010 2. Madhjukar

Vable. Mecánica de materiales, primera edición, Oxford university

press, México 2002 3. Avner, S. (1988) Metalurgia Física, México D.F. McGraw-Hill. 2ª edición 4. Smith,

William

F.

(2006)

Fundamentos

de

la

Ciencia

e

Ingeniería

de

materiales, México, México. McGraw-Hill, 4a. Edición 5. Askeland,

D.

R.,

Phulé

P.

P.

(2003)

La

ciencias

e

Ingeniería

de

los

materiales, México, D.F. Thomson, Cuarta edición. 6. Neely, J. E., Kibbe, R.R. y García Diaz, R. (1992) Materiales y Procesos de Manufactura.

México D. F. Limusa.

7. www.steel.org/ 8. www.sae.org/ 9. www.astm.org/ 10. www.matweb.com/ 11. http://asminternational.org

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Elaboración de informe de laboratorio 1.- Reporte las dimensiones finales de las probetas necesarias para efectuar los cálculos. 2.- Elabore las tablas y graficas que considere relevantes para respaldar sus cálculos y conclusiones. 3.- Discutir los resultados y hallazgos. 4.- Elabore las conclusiones del ensayo, enfatizando en los aspectos relevantes de la experiencia, tome en cuenta los objetivos del laboratorio.

Rúbrica de evaluación Puntaje Aspecto a evaluar:

obtenido/Puntaje máximo

Portada, en Times New Roman 12. Contiene Logotipo de la investigación, Nombre del tema, Nombres de los

autores,

fecha

de

entrega.

Todas

las

partes

abreviado

(1

página

Requisito

deberán ser legibles Objetivos

y

Procedimiento

máximo) Examen previo (individual) Mediciones efectuadas, reportadas según el criterio de cifras significativas, Tabla 2 Cálculos tabla 2 (5 %) y tabla 3 (20 %)

Requisito 30 10 25

Investigación efectuada en libros, revistas, sitios web y otros

(al menos en 3 sitios confiables),

10

citar fuentes Discusión y recomendaciones

10

Comentarios

Resistencia de Materiales. Guía 1 Conclusiones:

Comparación

de

los

12

resultados

experimentales con lo reportado en libros o sitios confiables

(éstos

se

tomarán

como

los

valores

teóricos), indicar si se lograron los objetivos o

10

no y porqué. Si fuera insuficiente la información para hacer las comparaciones, indicar las fuentes consultadas, a fin de que la nota no sea afectada. Demuestra actitud de colaboración y respeto con el grupo

Requisito

La ortografía debe ser impecable. La redacción debe

5

ser clara y concisa. No lleva gabacha (individual)

-

10

Cálculos erróneos

-

10

No lleva guía de laboratorio (individual)

-

10

-

10

No colabora o se comporta indebidamente (individual) T TOTAL

El

informe

se

entregará

una

semana

después

del

100

laboratorio,

ejemplo:

si

el

laboratorio se efectúa el lunes, a más tardar el lunes siguiente se entregará al responsable del laboratorio. Entrega tardía: 10 % menos cada día. Si no cumple con los requisitos se devolverá el informe, con la condición de regresarlo el día siguiente, descontándosele 10 % por no cumplir con los requisitos y por cada día de retraso se descontará 10 % adicional. El alumno deberá respetar la normas de seguridad del laboratorio, si hay violación a estas normas, el instructor podrá expulsar de la sesión al infractor, conllevando a la perdida de la nota de esa sesión, sin posibilidad de solicitarla diferida.

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Hoja de cotejo:

Guía 1: ENSAYO DE TRACCIÓN

Alumno:

Máquina No:

Docente:

GL:

1 1

Fecha:

EVALUACION %

1-4

5-7

CONOCIMIENTO

20%

Conocimiento deficiente de los fundamentos teóricos

Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos

APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO

15%

Aplicación deficiente de la simbología Uso deficiente de los accesorios solicitados Aplicación deficiente de las normas de seguridad Resultados de la práctica son deficientes No tiene actitud proactiva.

Aplicación incompleto de la simbología Uso incompleto de los accesorios solicitados Aplicación incompleta de las normas de seguridad Resultados de la práctica son buenos Actitud propositiva y con propuestas no aplicables al contenido de la guía. Demuestra regulares valores profesionales

15%

15%

15%

ACTITUD

10%

10%

TOTAL

100%

Demuestra pocos valores profesionales

8-10 Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos Aplicación excelente de la simbología Uso excelente de los accesorios solicitados Aplicación excelente de las normas de seguridad Resultados de la práctica son excelentes Tiene actitud proactiva y sus propuestas son concretas. Demuestra buenos valores profesionales

Nota

13