Ensayo de tracción aplicado a una probeta de ASTM A-36 PDF

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UNIVERSIDAD EQUINOCCIAL FACULTAD DE CIENCIAS DE LA TRABAJO DE LA ASIGNATURA: DE MATERIALES INFORME EN TORNO A LA DE UN ENSAYO DE A UNA PROBETA DE ACERO NORMALIZADA BAJO LA NORMA MEDIANTE EL EMPLEO DE LA UNIVERSAL DE ENSAYOS. NOMBRE DE LOS ESTUDIANTES: DIEGO MIRANDA TRAVEZ NIVEL: V QUITO,25 DE JUNIO ...

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA TRABAJO DE LA ASIGNATURA: MECÁNICA DE MATERIALES

INFORME TÉCNICO ANALÍTICO EN TORNO A LA EJECUCIÓN DE UN ENSAYO

DE

TRACCIÓN

A

UNA

PROBETA DE

ACERO

A-36

NORMALIZADA BAJO LA NORMA ASTM-A370 MEDIANTE EL EMPLEO DE LA MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAYOS.

NOMBRE DE LOS ESTUDIANTES: - DIEGO MIRANDA -CARLOS TRAVEZ

NIVEL: V “TD”

QUITO,25 DE JUNIO DEL 2019 1

ÍNDICE

1.1 1.2 2

OBJETIVO GENERAL .......................................................................................................................................... 3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................................................... 3

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 5 2.1 2.2

PREFACIO ............................................................................................................................................................ 9 ACERO ................................................................................................................................................................ 9

•

2.2.1 Definición

•

2.2.2 Historia y generalidades

10

•

2.2.3 Principales propiedades

11

2.3

9

ACEROS ESTRUCTURALES ...................................................................................................................................... 12

•

2.3.1 Definición

•

2.3.2 Clasificación 12

3

12

PRESENTACIÓN E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS ....................................................................... 20 3.1 3.2 3.3

PREFACIO .......................................................................................................................................................... 20 CONDICIONES INICIALES DE LA MATERIA Y MAQUINARIA .............................................................................................. 20 TABULACIÓN DE DATOS PROPORCIONADOS POR LA MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAYOS DURANTE LA REALIZACIÓN DEL ENSAYO DE TRACCIÓN.................................................................................................................................................................... 21 3.4 CURVA FUERZA VS DESPLAZAMIENTO 𝑭 − 𝑿 OBTENIDA EXPERIMENTALMENTE ............................................................... 34 3.5 CURVA ESFUERZO VS DEFORMACIÓN (𝝈 − Ε) TEÓRICA ..............................................................................................35 3.6 TABULACIÓN DE DATOS PROPORCIONADOS POR LA MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAYOS DURANTE LA REALIZACIÓN DEL ENSAYO DE TRACCIÓN EN CONJUNTO CON VALORES AFINES A ESTOS PARA LA GRAFICACIÓN DE LA CURVA ESFUERZO-DEFORMACIÓN ................... 36 3.7 CURVA ESFUERZO VS DEFORMACIÓN EXPERIMENTAL DEL ACERO A-36. ......................................................................... 44 3.8 CURVA ESFUERZO VS DEFORMACIÓN TEÓRICA DEL ACERO A-36 PARA ANÁLISIS ............................................................... 44 3.9 DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL MATERIAL EN FUNCIÓN DE LA GRÁFICA OBTENIDA ............................................. 45 3.10 FICHA TÉCNICA DE DATOS ALUSIVOS AL ASTM A-36 ............................................................................................. 48 3.1 TABULACIÓN DE DATOS PROPORCIONADOS POR LA MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAYOS DURANTE LA REALIZACIÓN DEL ENSAYO DE TRACCIÓN........................................................................................................................ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 4

MARCO ADMINISTRATIVO ................................................................................................................ 51 4.1 4.2

5

CONCLUSIONES .............................................................................................................................................. 51 RECOMENDACIONES ...................................................................................................................................... 53

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................... 56

6 ................................................................................................................................................................ 57

OBJETIVOS 1.1

OBJETIVO GENERAL

Ejecutar de manera práctica un ensayo de índole destructivo, específicamente, tracción; sobre una probeta de acero A-36 normalizado bajo la norma ASTM-A370 alusiva a la alta estandarización de materia, maquinaria y procesos necesarios para llevar a cabo una praxis válida en términos de fiabilidad y seguridad en pos de determinar características inherentes al material al ser sometido a fuerzas uniaxiales con el apoyo de una máquina universal de ensayos.

1.2

OBJETIVOS ESPECÍFICOS •

Tabular los datos proporcionados por la máquina universal de ensayos a través de su display, con respecto a magnitudes de fuerza y posición en pos de relacionar los puntos generados y crear pares ordenados bajo parámetros de tiempo proporcionales para generar una curva de Fuerza vs Posición a priori.

•

Relacionar el fundamento teórico captado, alusivo a las propiedades mecánicas de los materiales, puntualmente, aceros y cargas axiales aplicadas a estos, en pos de relacionar ecuaciones que describen su comportamiento bajo parámetros y condiciones iniciales específicas de trabajo, para la construcción de una curva Esfuerzo vs Deformación, subsecuentemente, estudiar el comportamiento específico del acero A-36 y crear generalizaciones.

• •

Comprobar de manera teórico-analítica la veracidad y fiabilidad del ensayo realizado, mediante el establecimiento de una comparación entre los resultados 3

obtenidos y los deducidos a posteriori, con fichas técnicas contenedoras de información relativa a las características mecánicas del material en cuestión; teniendo en consideración su recopilación a partir de fuentes de consulta acreditadas y la presencia de un margen de error comprendido entre el +/-5% aceptado según normas de regularización de informes e investigaciones, bajo el cálculo previo de errores en las mediciones o percepción de datos.

• •

Determinar en base a los gráficos generados, características únicas del material de estudio, tales como: esfuerzo de cedencia, esfuerzo último permisible, límite de fluencia, módulo de Young, esfuerzo de ruptura, deformación, entre otras características mecánicas de este, viables de corroboración, de tal manera que se pueda determinar la importancia de este tipo de ensayos, el comportamiento del acero A-36 al ser sometido a este y su utilidad en función de los resultados obtenidos.

4

2

INTRODUCCIÓN

Desde tiempos remotos, el deseo e ímpetu humano por la obtención de conocimiento para la innovación y subsecuente mejora de calidad de vida de la especie, ha sido persistente y ha evolucionado en pro de saciarla y facilitarla, por ende, dar solución a nuestros problemas; partiendo desde el planteamiento de simples hipótesis arraigadas a la imaginación y mera suposición sin fundamentos o empíricas del ser humano, en épocas arcaicas; tal es así, que de una u otra forma y producto de una inevitable evolución han contribuido al desarrollo de teorías y métodos investigativos con bastante aceptación mundial durante algunos siglos atrás hasta la actualidad, y no es para menos, pues su contribución en aplicaciones reales más allá de los cálculos y el análisis hipotético de estos es notorio, sobre todo en el campo de la mecánica de materiales que desemboca en un sin número de aplicaciones más, relacionadas de manera general con el diseño, cálculo estructural y selección minuciosa de materiales para todo aquello que conforma nuestro mundo, de la mano de métodos de ensayo tanto destructivos como no destructivos que han colaborado de manera explícita al fortalecimiento de la seguridad a nivel industrial, sistematización y agilización de procesos gracias a su aporte para dar rienda suelta al minucioso estudio de las propiedades de los materiales ante la aplicación de esfuerzos sobre estos, en pos de puntualizar y sugerir usos específicos y producentes segmentados por tipos de aplicaciones, métodos los cuales al ser controlados por parametrizaciones internacionales permiten la recreación de este tipo de estudios manteniendo inalterable los resultados de los mismos con respecto a la información que consta en las diversas fichas técnicas y que puede ser interpretado con la construcción de diversas curvas como la esfuerzo vs deformación, gracias a la normalización de los materiales y búsqueda de unificación de magnitudes a nivel mundial, para contar con 5

información y alternativas de mejora y reparación en todo instante, técnicas a veces necesarias más allá de su uso netamente instructivo, para el análisis de las propiedades de las soldaduras, la cuales normalmente se rigen por tener características iguales o mejores que las piezas que unen; como comprobación de la no alteración de propiedades de los materiales durante fabricación de equipo o estructuras, o de manera general como medio de aporte de información para llevar a cabo cálculos de tolerancia a los defectos; tal es así que en el presente informe técnico se analizarán los resultados recopilados de un ensayo de tracción practicado a un acero ASTM A-36 en pos de determinar su curva esfuerzo-deformación y afines para interpretar y desglosar datos inmersos implícitamente en estas y corroborar la validez de la praxis en base a fichas técnicas y determinación de errores.

6

3 3.1

DESARROLLO

Materiales

•

Probeta normalizada - Acero de transmisión A36

•

Máquina universal de Ensayos

•

Calibrador pie de rey

•

Extensómetro

3.2

Procedimiento

3.2.1 Cuantificación de los valores iniciales de la probeta Haciendo uso del calibrador pie de rey electrónico se procede a medir la longitud inicial

de

la probeta y

su

diámetro,

subsecuentemente, se marca la probeta con ayuda de un marcador en este caso en 50 mm para tener conciencia a posteriori de la Ilustración 1: Medición de las dimensiones de la probeta

elongación de esta.

3.2.2 Colocación de la probeta en la máquina universal de ensayos Se procede a colocar la probeta en la máquina universal de ensayos, para lo cual su parte roscada necesita ser fijada por medio de las mordazas inherentes al artefacto e

intercambiables,

teniendo

en

consideración

su Ilustración 2: Colocación de la probeta en la máquina universal de ensayos 7

magnitud y su relación con la probeta realizada se verifica que se encuentre bien posicionada.

3.2.3 Puesta en marcha de la máquina universal de ensayos La máquina de ensayos está diseñada para alargar la probeta a una velocidad constante detallada en los apartados posteriores del informe, al igual que para medir continua y simultáneamente la carga instantánea aplicada y el alargamiento resultante por medio de un enconder. El ensayo dura alrededor de tres minutos.

8

4 4.1

MARCO TEÓRICO

Prefacio

Dentro de la ingeniería es de vital importancia el conocimiento de términos puntuales para la manipulación de material y la realización de cálculos previos que su uso implica, tal es así que en el presente apartado del informe se hará alusión a la definición y principales características físicas, químicas y mecánicas en función de las curvas inherentes a ensayos destructivos aplicados al acero de estudio, de tal manera que mediante la recopilación de estas características sea posible el establecimiento de relaciones de semejanzas y diferencias, en pos de enmarcar este material en un ámbito de aplicación diferente radicado en sus parámetros de funcionamiento sustentado con datos en fichas técnicas.

4.2

Acero

4.2.1 Definición “El acero es una aleación de hierro y carbono que contiene menos de 2.11% de carbono” (Sánchez, 2010), que puede contener otros elementos; el carbono ingresa en la red cristalina de manera intersticial y forma un compuesto intermetálico denominado carburo de hierro o cementita. En los aceros el contenido de carbono oscila entre 0.1 a 1.7%. El carbono es el elemento principal que modifica las características mecánicas

Ilustración 3: Eje de pistón roto, recuperado de: "Tecnología de Materiales" de María Sánchez

del acero; cuanto mayor sea el porcentaje de carbono, mayores serán la resistencia y la dureza del acero, pero también será más frágil y menos dúctil.

9

Por otra parte tal y como lo destaca María Sánchez en el texto “Tecnología de Materiales”, dentro de los aceros podemos encontrar algunas derivaciones como son los aceros al carbono, los cuales resalta, “ son aquellos en los que el elemento principal es el carbono, aunque pueden tener contenidos bajos de otros aleantes” (Sánchez, 2010), los cuales a su vez pueden dividirse en aceros de bajo carbono, aceros de medio carbono y aceros al alto carbono, diferenciados por su concentración de carbono de 0.008%C - 0.25%C, 0.25%C - 0.60%C y 0.60%C – 2.11%C respectivamente, subsecuentemente, por sus aplicaciones y características delimitadas por estos porcentajes.

Si además de los elementos de los aceros al carbono se presentan otros elementos, como cromo, níquel, molibdeno, tungsteno, vanadio, etc., se habla entonces de aceros aleados; la adición de aleantes modifica las propiedades del acero; la fatiga, tracción y poder cortante. El efecto de los aleantes en el acero es muy amplio dependiendo del elemento que se va a adicionar. 4.2.2 Historia y generalidades El acero es uno de los materiales estructurales más versátiles, cuenta con una gran resistencia, poco peso y facilidad de fabricación entre otras ventajas, mismas que varían en función del tipo de acero, subsecuentemente, de la concentración de carbono y otros materiales en este, las cuales serán especificadas más adelante en función de una reducida clasificación de aceros estructurales.

El primer uso del metal en una estructura se dio en Shropshire, Inglaterra, en 1779.En ese lugar se construyó con hierro fundido el puente Coalbrookdale en forma de arco, de 100 pies de claro sobre el río Severn. Este puente fue un punto 10

crítico en la historia de la ingeniería porque cambió el curso de la Revolución Industrial al introducir al hierro como material estructural.

El acero no se fabricó económicamente en los Estados Unidos hasta finales del siglo XIX. Las primeras vigas de patín ancho no fueron laminadas hasta 1908; desde ese momento, en aquel país y en el resto del mundo, el acero ha sido uno de los materiales más utilizados en la construcción de un gran número de diversas estructuras. (Coromant, 2005)

4.2.3 Principales propiedades Entre las propiedades más importantes que destacan del acero, se encuentran:

• Elasticidad. -

Propiedad de los cuerpos de volver a su forma original al cesar una fuerza

deformante. Se considerarán perfectamente elásticos si no han rebasado su límite de elasticidad.

• Ductilidad. - Propiedad

que tienen los materiales de soportar grandes deformaciones sin

fallar bajo altos esfuerzos de tensión. Un material que no tenga esta propiedad probablemente será duro y frágil y se romperá al someterlo a un golpe repentino.

La naturaleza dúctil de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente en esos puntos, evitando fallas prematuras.

11

• Tenacidad.

– Materiales con resistencia y ductilidad; también se conoce a la tenacidad

como la capacidad de un material para absorber energía en grandes cantidades.

•

Alta resistencia. - La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será

relativamente bajo el peso de las estructuras, gran ventaja en la construcción de grandes claros como es el caso de puentes o edificios altos.

• Uniformidad.

- Las propiedades del acero no cambian apreciablemente en el tiempo

como es el caso de las estructuras de concreto reforzado. (Sánchez, 2010)

4.3

Aceros estructurales

4.3.1 Definición Es una aleación de hierro, carbono y otros elementos como silicio, fosforo, azufre y oxígeno, en pequeñas cantidades que le aportan al acero ciertas propiedades; el cual es fabricado a través de un proceso de laminado en caliente, y es empleado en todo tipo de estructuras. (Sánchez, 2010) 4.3.2 Clasificación Los aceros estructurales modernos se pueden clasificar según la ASTM (American Society for Testing and Materials) en: aceros de propósitos generales (A36), aceros estructurales de carbono (A529), aceros de alta resistencia y baja aleación (A572), aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación y resistentes a la corrosión atmosférica (A242 y A588) y aceros templados y revenidos (A514 y A852), de los cuales solo se analizará uno. 12

La norma ASTM no especifica de manera directa la composición de un acero, empero, se enfoca en su aplicación o ámbito de empleo; por tanto, no existe una relación directa y biunívoca con las normas de composición.

4.4

Ensayo de tracción

En la actualidad existen varias formas de caracterizar los diferentes tipos de materiales existentes en la industria, esta caracterización nos muestra las características técnicas de dicho material analizado para su posterior uso al dimensionar un aplicativo que satisfaga ciertos requerimientos.

Los ensayos de material nos ayudan a caracterizar dichos materiales o hacer pruebas que determinan si cumple o no con estándares definidos para cada material, esto para aceptar o descartar lotes de producción de dicho material.

Existen diferentes ensayos para caracterizar un material; en este caso hablamos de un ensayo de tracción que está considerado como uno de los más importantes para la determinación de las propiedades mecánicas de cualquier material. Los datos obtenidos se pueden utilizar para comparar materiales entre sí y para saber si una pieza de cierto material podrá soportar determinadas condiciones de carga. En el campo del estudio de la resistencia de materiales, se denomina carga a la fuerza aplicada a los materiales. Estas fuerzas se denominan fuerzas normales (son perpendiculares a la superficie) de tracción y compresión.

13

El ensayo de tracción consiste en someter una pieza cilíndrica o prismática (probeta) de dimensiones normalizadas a una fuerza normal de tracción que crece con el tiempo de una forma lenta y continua, para que no influya en el ensayo, el cual, por lo general, finaliza con la rotura de la probeta.

Durante el ensayo se mide el alargamiento que experimenta la probeta (ΔL) al estar sometida a la fuerza de tracción (F). De esta forma se puede obtener un diagrama fuerzaalargamiento, aunque para que el resultado dependa lo menos posible de las dimensiones de la probeta y que resulten comparables los ensayos realizados con probetas de diferentes tamaños, se utiliza el diagrama t...