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Informe de laboratorio N°1 - Ensayo de tracción de Probetas Metálicas Preprint · September 2018

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1 author: Julian Esteban Jimenez Wilchez Universidad Tecnológica de Bolívar 22 PUBLICATIONS0 CITATIONS SEE PROFILE

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Tracción de probetas metálicas Traction of metal test tubes

Lilia María Ward Bowie1 (T00046082), Karen Paola Canabal1 (T00045745), Melissa Contreras Ruiz1 (T00046431), Julián Esteban Jiménez Wilches1 (T00046377), Shirley Sarmiento Ibarra1 (T00045652), Ricardo Campo1 (T00044961) (1) Universidad tecnológica de Bolívar facultad de ingeniería civil y ambiental. Campus tecnológico, Parque industrial y tecnológico Carlos Vélez Pombo, Km 1 vía Turbaco Resumen En el presente informe se plantearán y analizaran los datos obtenidos del ensayo de tracción de probetas metálicas, en el laboratorio se pusieron a prueba cuatro probetas metálicas dos de acero 1045 y dos de aluminio 6061. Estas probetas se sometieron a cargas axiales de tracción para evaluar los esfuerzos y propiedades mecánicas que presentan ante este tipo de situación. El objetivo de esta práctica es observar de manera experimental los conocimientos adquiridos en el aula de clases, y con la ayuda de estos poder realizar un claro análisis a las curvas de esfuerzo vs deformación obtenidos en el ensayo. Se deberá comparar las gráficas obtenidas con las idealizadas para un material metálico sometido a esfuerzos axiales, hay que tener en cuenta que esas graficas idealizadas son para materiales en estado puro, pero en este caso se trabajó con probetas de materiales que presentan ciertas impurezas. Abstract In this report, the data obtained from the tensile test of metal test pieces will be presented and analyzed, in the laboratory four metallic test pieces two of steel 1045 and two of aluminum 6061 were tested. These specimens were subjected to axial tensile loads to evaluate the efforts and mechanical properties presented in this type of situation. The objective of this practice is to Septiembre 2018

observe experimentally the knowledge acquired in the classroom, and with the help of these can make a clear analysis to the stress vs. strain curves obtained in the test. The graphs obtained should be compared with those idealized for a metallic material subjected to axial stress, it should be taken into account that these idealized graphs are for materials in their pure state, but in this case we worked with specimens of materials that present certain impurities. Introducción A lo largo dela historia, el hombre ha sido ambicioso, y en sus diferentes procesos de desarrollo se ha visto en la necesidad de trabajar con metales, creando aleaciones metálicas ya sean para uso de lujos, utilidades, maquinas o construcciones. Es importante conocer con lo que se trabaja y lo que se va a utilizar en cada una de las actividades humanas. En el trabajo con metales para estudios de estructuras, estos están sujetos a cargas de tensión y de compresión, por este motivo se estudia el comportamiento de estos materiales al estar sometidos a estas cargas para poder diseñar instrumentos de forma tal que el material no se fracture ante estas ya que de esto depende la seguridad de muchas personas, por esta razón es de suprema importancia este estudio. El estudio de las propiedades mecánicas de los materiales es una actividad que se lleva a cabo desde que se están aprovechando los recursos, es importante entender sus características y sobre todo la resistencia mecánica de estos materiales para evitar cualquier tipo de problemática asociado al uso de estos, este es el motivo por el cual se hacen los ensayos de tracción en laboratorio con probetas metálicas y poder obtener resultados de sus reacciones ante cargas axiales, para obtener un análisis de la curva esfuerzo vs deformación que se forma al someterlo a estar cargas, esta grafica es la que al final mostrará los resultados de dicho comportamiento. El conocimiento de las propiedades de los materiales es fundamental en la ingeniería ya que la función del ingeniero es diseñar mejoras para solucionar diversas situaciones que se puedan presentar en el quehacer cotidiano. Al final de este estudio de deberán presentar el límite de proporcionalidad, el limite elástico, el punto de fluencia o cadencia, el esfuerzo ultimo o límite de resistencia, la carga de rotura, el módulo de elasticidad, el porcentaje de alargamiento y la reducción de área. Objetivos General: Analizar el comportamiento de probetas de acero y aluminio al ser cometidos a cargas axiales de tracción. Específicos: Construir la gráfica de esfuerzo vs deformación de probetas de acero y aluminio a partir de los datos obtenidos al someter estas a fuerzas de tracción axiales. Septiembre 2018

Reconocer y determinar de manera práctica las propiedades mecánicas de dos materiales sometidos a tracción. Reconocer y diferenciar las fases de deformación de los materiales como son la zona plástica, la elástica, etc. Observar las diferencias entre los materiales de estudio en el sentido de ductilidad, resistencia y fragilidad. Marco teórico Para el correcto entendimiento de este escrito, lo primero que se hace es definir que son las probetas metálicas, las cuales son aquellas piezas de forma particular y estipulada para la realización de ensayos mecánicos, generalmente sometidas en una maquina universal, presa hidráulica o cualquier tipo de artefacto que genere cargas. Como se muestra la figura 1, se pueden usar tres tipos de probetas para este ensayo, las probetas de sección circular, las probetas planas y probetas especiales.

Figura 1. Tipos de probetas. http://ylang-ylang.uninorte.edu.co:8080/objetos/Ingenieria/EnsayoDeTension/ensayo2.html

Los esfuerzos axiales se producen cuando hay cargas que actúan perpendicularmente al área transversal de un elemento unidimensional y es paralela a su eje.

Septiembre 2018

Figura 2. Ilustración de cargas axiales (Pino, 2018).

El esfuerzo axial es la fracción entre la carga axial y el área transversal obteniendo la siguiente formula: σ = p/A donde σ es el esfuerzo, p la carga y A el área transversal. Por su parte, la deformación es la fracción entre el alargamiento u acortamiento del elemento y su longitud inicial. 𝜀=

𝐿𝑓 − 𝑙0 𝑙0

Donde 𝜀 es la deformación, l0 es la longitud inicial del elemento y lf es la longitud final de este. Generalidades del ensayo de tensión Norma ASTM A370: norma con la cual trabaja los ensayos de probetas metálicas. Este ensayo se utiliza para medir la resistencia de un material a una carga, Esta prueba consiste en alargar una probeta de ensayo por fuerza de tensión, ejercida gradualmente, con el fin de conocer ciertas propiedades mecánicas de materiales en general: su resistencia, rigidez y ductilidad. Sabiendo que los resultados del ensayo para un material dado son aplicables a todo tamaño y formas de muestra, se ha establecido una prueba en la cual se aplica una fuerza de tensión sobre una probeta de forma cilíndrica y tamaño normalizado, que se maneja universalmente entre los ingenieros. Este ensayo se lleva a cabo a temperatura ambiente entre 10ºC y 35ºC. (Escuela Colombiana de ingeniería, n.d.)

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Prensa hidráulica es la maquina utilizada para la tracción de las probetas en este ensayo, generan una carga que llega hasta el punto de producir la ruptura de las piezas mostrando en un sistema computarizado el comportamiento final. En la figura 3 se muestra la prensa utilizada en este ensayo.

Figura 3. Prensa hidráulica utilizada en el ensayo. Karen Restrepo.

En la figura 4, se muestra un dispositivo utilizado para realizar este tipo de ensayos.

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Figura 4. Máquina para la realización del ensayo de tensión (Escuela Colombiana de ingeniería, n.d.).

Curva esfuerzo deformación Es un diagrama el cual describe gráficamente el comportamiento de un material específico al estar sometido a cargas axiales de tensión o tracción. En la figura 5, se muestra de forma cualitativa las curvas de esfuerzo deformación unitaria para un metal, un material termoplástico, un elastómero y un cerámico.

Figura 5. Ejemplos de curvas esfuerzo deformación para distintos tipos de materiales (Escuela Colombiana de ingeniería, n.d.).

El diagrama esfuerzo deformación teórico para materiales dúctiles en tensión como el que se trabajo en este ensayo es el que se muestra en la figura 6, se dice que es un gráfico idealizado ya que en la vida real hay factores externos que alteran estos resultados como son impurezas en los materiales, factores del ambiente, entre otros.

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Figura 6. Curva esfuerzo deformación para materiales dúctiles sometidos a tensión(Pino, 2018).

En la gráfica se muestran las partes o fases de deformación del elemento, la región lineal es aquella donde al retirar la carga el elemento vuelve teóricamente a su posición inicial, la zona de fluencia es donde el material cede a la deformación sin un aumento notable de esfuerzo, la zona de endurecimiento por deformación es aquella donde las moléculas separadas en la zona de fluencia se reagrupan agregándole una resistencia a la deformación del elemento, y por último en la zona de estricción el elemento presenta una disminución de su área transversal hasta llagar a la ruptura. Modulo se elasticidad La porción inicial lineal de la gráfica esfuerzo deformación mostrada en la figura 6, representa lo que se llama el Modulo de Elasticidad E, de los materiales. Este se calcula según la ley de Hooke, mediante la fórmula: 𝐸=

𝜎 𝜀

Lo que es igual a la pendiente de dicha porción lineal. Las unidades del módulo de elasticidad son las mismas a las utilizadas para los esfuerzos, esto es (lb/pulg2), (N/m2) ó cualquier otra unidad correspondiente. En esta región el material se comporta elásticamente por lo que cuando se retira la fuerza, la deformación que haya alcanzado el material toma el valor de cero, su forma original antes de iniciar la prueba. Ductilidad Septiembre 2018

La ductilidad es el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Se mide por la relación entre la longitud inicial u original de la probeta entre marcas calibradas previamente y después del ensayo. Encuellamiento Debido a las imperfecciones internas que poseen los materiales al no ser 100% homogéneos ni isotrópicos (las propiedades físicas no dependen de la dirección de observación), el sitio del Encuellamiento puede ocurrir en cualquier parte de la probeta; por este motivo se reduce su sección central con el fin de que el Encuellamiento ocurra dentro del área demarcada de 50mm de longitud como se observa en la figura 7.

Figura 7. Encuellamiento de la probeta (Escuela Colombiana de ingeniería, n.d.).

Procedimiento experimental Instrumentos A continuación, se muestran los instrumentos utilizados en la práctica.   

Probetas de acero 1045 y aluminio 6061. Prensa hidráulica. Pie de rey.

Procedimiento Primero se realizó una breve explicación de lo que se iba a hacer en la sesión, luego se tomaron las medidas iniciales de las probetas como son el diámetro y la longitud calibrada con ayuda de un pie de rey. Se marcaron dos puntos en la parte central de la probeta con una distancia entre ellos de 50mm.

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Figura 8. medida del diámetro de una de las probetas utilizada. Karen Restrepo.

Seguido de esto, se ajustó la probeta a las mordazas de la máquina, y se ajustó esta para evitar en la medida de lo posible errores en la toma de los datos, a continuación, se insertaron datos indicativos y se encendió la máquina para luego observar la tracción de la probeta y el encuellamiento que se formó, en este proceso se observó la ruptura de la probeta y se volvieron a tomar las medidas de la probeta obteniendo las medidas finales.

Septiembre 2018

Figura 9. Rotura de las probetas. Karen Restrepo.

Datos experimentales Probeta de acero 1045 #1 Descripción

Valor

Unidad

Carga inicial

1,8

kN

Carga máxima

117,0188

kN

Diámetro inicial

12,1

mm

Diámetro final

mm

Longitudes iniciales de las marcas

50

mm

Longitudes finales de las marcas

56

mm

Descripción

Valor

Unidad

Carga inicial

1,8

kN

Carga máxima

112,875

kN

Diámetro inicial

12,1

mm

Probeta de acero 1045 #2

Septiembre 2018

Diámetro final

10,1

mm

Longitudes iniciales de las marcas

50

mm

Longitudes finales de las marcas

60,9

mm

Descripción

Valor

Unidad

Carga inicial

1,8

kN

Carga máxima

36,6188

kN

Diámetro inicial

12,1

mm

Diámetro final

9

mm

Longitudes iniciales de las marcas

50

mm

Longitudes finales de las marcas

70

mm

Descripción

Valor

Unidad

Carga inicial

1,8

kN

Carga máxima

37,0688

kN

Diámetro inicial

12,1

mm

Probeta de aluminio 6061 #1

Probeta de aluminio 6061 #2

Diámetro final

mm

Longitudes iniciales de las marcas

50

mm

Longitudes finales de las marcas

56

mm

Análisis experimental Para llevar un orden coherente y entendible, se realizará un análisis dividido donde se muestren los cálculos realizados para cada una de las probetas por separado.

Septiembre 2018

A partir de cada gráfico hallan las propiedades mecánicas de cada probeta realizando un análisis de esta, además se establece en cada caso los limites observados para hallar el módulo de elasticidad, estos datos se entregan en tablas que resumen los datos obtenidos para facilitar el entendimiento de estas. Probeta de acero 1045 #1.

Curva esfuerzo vs deformación 1200

Esfuerzo (kN/m2)

1000 800 600 400 200 0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

Deformación (m)

El módulo de elasticidad fue hallado por la fórmula de la pendiente aplicada en la zona lineal de la curva, para este caso se usaron los puntos (0,02396;108,25596) y (0,08796;859,91379). Propiedad Límite de proporcionalidad Limite elástico Punto de fluencia Esfuerzo ultimo Carga de rotura Módulo de elasticidad Porcentaje de alargamieno

Probeta de acero 1045 #2.

Septiembre 2018

Mpa

kN

%

859.91 859.91 859.91 1034,649 96.919 11744 12

Curva esfuerzo vs deformación 1200

Esfuerzo (kN/m2)

1000 800 600 400 200 0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

Deformación (m)

El módulo de elasticidad fue hallado por la fórmula de la pendiente aplicada en la zona lineal de la curva, para este caso se usaron los puntos (0,024;109,41645) y (0,08796;846,31963). Propiedad Límite de proporcionalidad Limite elástico Punto de fluencia Esfuerzo ultimo Carga de rotura Módulo de elasticidad Porcentaje de alargamieno

Probeta de aluminio 6061 #1.

Septiembre 2018

Mpa

kN

%

846.32 846.32 846.32 998.011 77.756 11521.31 21,8

Curva esfuerzo vs deformación 350

Esfuerzo (kN/m2)

300 250 200 150 100 50 0 -50

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Deformación (m)

El módulo de elasticidad fue hallado por la fórmula de la pendiente aplicada en la zona lineal de la curva, para este caso se usaron los puntos (0,024;79,40981) y (0,056;266,24668). Propiedad Límite de proporcionalidad Limite elástico Punto de fluencia Esfuerzo ultimo Carga de rotura Modulo de elasticidad Porcentaje de alargamieno

Probeta de aluminio 6061 #2.

Septiembre 2018

Mpa

kN

%

266.25 266.25 266.25 327.843 25.5 5838.65 16

Curva esfuerzo vs deformación 350

Esfuerzo (kN/m2)

300 250 200 150 100 50 0 -50

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

Deformación (m)

El módulo de elasticidad fue hallado por la fórmula de la pendiente aplicada en la zona lineal de la curva, para este caso se usaron los puntos (0,024;80,23873) y (0,056;267,40716). Propiedad Límite de proporcionalidad Limite elástico Punto de fluencia Esfuerzo ultimo Carga de rotura Modulo de elasticidad Porcentaje de alargamieno

Mpa

kN

%

267.41 267.41 267.41 323.775 19.05 5849.01 40

Conclusiones y discusión En las siguientes tablas se resume la comparación entre los datos de las propiedades mecánicas obtenidas experimentalmente y las teóricas. propiedad límite de proporcionalidad (MPa)

859,91 846,32

Bibliografía % error 675 21,5034131

20,2429341

limite elástico (MPa)

859,91 846,32

675 21,5034131

20,2429341

punto de fluencia (MPa)

859,91 846,32

675 21,5034131

20,2429341

767 25,8685796

23,1471397

esfuerzo ultimo (MPa) porcentaje de alargamiento (%)

Septiembre 2018

Experimental

1034,649

998

12

21,8

25

52%

12,8

porcentaje de reducción del área (%)

30,326

33

8,81751632

(Silva. & López., 2015b) (Silva. & López., 2015a) Aluminio 6061 propiedad límite de proporcionalidad (MPa) limite elástico (MPa) punto de fluencia (MPa) esfuerzo ultimo (MPa) porcentaje de alargamiento (%) porcentaje de reduccion del area (%)

Experimental Bibliografía 267,41 270 267,41 270 267,41 275,79

266,25 266,25 266,25

328 16%

324 40%

310,26 17% 33%

% de error -1,4084507 -0,96855017 -1,4084507 -0,96855017 - -3,13376463 3,58309859 5,36323789 4,17419504 -6,25 57,5

Se realiza el cálculo de la desviación porcentual de los valores medidos, este cálculo se realizará a partir de las medidas teóricas y experimentales para luego realizar comparaciones, se utiliza la siguiente ecuación, para calcular la desviación porcentual de cada uno de los datos medidos con los teóricos. %=(

𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 − 1) ∗ 100 𝑉𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜

Los resultados se t...