Ensayo de Tracción - Laboratorio 1 PDF

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ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERÚ – LIMA NORTEFacultad de Ingeniería - Carrera de Ingeniería Civil ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALESINFORME DE LAB. N°TRACCIÓNINTEGRANTES:CHUMBILLA QUISPE, TERESAJARA CHAVEZ, ALEXANDRAQUINO AÑLBINO, LESLIEARANA LLOCLLA, HAR...

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ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERÚ – LIMA NORTE

Facultad de Ingeniería - Carrera de Ingeniería Civil

ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES

INFORME DE LAB. N°1 TRACCIÓN

INTEGRANTES: CHUMBILLA QUISPE, TERESA JARA CHAVEZ, ALEXANDRA QUINO AÑLBINO, LESLIE ARANA LLOCLLA, HAROLD COPIA PEREZ, HEMERSON

DOCENTE: ING. FLORIÁN AYLLÓN, LORENZO

Lima, 23 de setiembre del 2020 1

Ensayo de Tracción del Acero 1. Resumen: En el presente informe se plantearán y analizarán los datos obtenidos del ensayo de tracción de una probeta con tratamiento térmico y sin este. Esta probeta se sometió a cargas axiales de tracción para evaluar los esfuerzos y propiedades mecánicas que presenta 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. 2. Introducción: A lo largo de la historia, el hombre se ha visto en la necesidad de innovar todo lo que lo rodea ya sea para la supervivencia o para su comodidad, y en sus diferentes procesos de desarrollo se ha visto en la obligación 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 diferentes 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. 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. 3. Objetivos: 3.1 Objetivos General: ▪ Analizar el comportamiento de probetas con tratamiento térmico y sin este al ser cometidos a cargas axiales de tracción. 3.2. Objetivos Específicos: ▪ Construir la gráfica de esfuerzo vs deformación de probetas con tratamiento térmico y sin tratamiento térmico a partir de los datos obtenidos al someter estas a fuerzas de tracción axiales. Reconocer y determinar de manera práctica las propiedades mecánicas de la probeta. ▪ 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.

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4. Marco Teórico: Un ensayo de tracción suele proporcionar datos suficientes para determinar las propiedades mecánicas en el material metálico. El ensayo consiste en obtener los límites de rendimiento bajo tensión. Un material sometido a una tensión produce una deformación de este. Si al detener la fuerza el material vuelve a sus dimensiones primitivas, diremos que ha experimentado una deformación elástica. Si la deformación es tal que no recupera por completo sus medidas originales es una deformación plástica.

4.1 Gráfica - Esfuerzo vs Deformación

4.2 Gráfica - Esfuerzo vs Deformación

3

5. Materiales • • • • • • • •

Calibrador Bernier Seguros Regla metálica Probeta con tratamiento térmico Probeta sin tratamiento térmico Lector e indicador digital Maquina universal de tracción Prensa hidráulica

•

Pie de rey

4

6. Pautas de seguridad 1. Antes de iniciar el ensayo asegurar que la guarda protectora del equipo esté puesta. 2. Fijar que la carga aplicada sea totalmente axial. 3. Indicar los posibles errores que podrían afectar las medidas experimentales. 4. Usar como referencia los lineamientos de la norma ASTM E8M-09 (Ensayo de tracción de materiales metálicos). 7. Fundamento y formulas Un ensayo de tracción suele proporcionar datos suficientes para determinar las propiedades mecánicas en el material metálico. El ensayo consiste en obtener los límites de rendimiento bajo tensión. Un material sometido a una tensión produce una deformación del mismo. Si al cesar la fuerza el material vuelve a sus dimensiones primitivas, diremos que ha experimentado una deformación elástica. Si la deformación es tal que no recupera por completo sus medidas originales es una deformación plástica. En la Figura 1. Se muestra un diagrama producido como consecuencia de un ensayo de tracción. Considerando el ensayo también podremos analizar qué tipo de fractura sufre el material al ser sometido por una fuerza, en las cuales encontramos las siguientes fracturas.

FRACTURA DUCTIL Una fractura dúctil ocurre después de un material sometido a una deformación plástica excesiva, esto quiere decir que este tipo de fractura aparece en aquellos materiales que tienen una zona de deformación plástica considerable.

FRACTURA FRAGIL Una fractura frágil es aquella que ocurre antes o durante el momento en el que se presenta una deformación plástica. Este tipo de fractura se presenta principalmente en aquellos materiales no cristalinos, en presencia de temperaturas muy bajas y en la aplicación de esfuerzos muy elevados. 5

Fórmulas que se utilizaran: ❖ Variación de dimensiones ➢ ∆L= Lf – Lo ❖ Deformación unitaria ➢ ԑ=∆L/Lo ❖ Esfuerzo ➢ σ=F/∆A ❖ Módulo de elasticidad ➢ E=σ/ԑ 8. Procedimiento -

Primero se toma la medida del diámetro, longitud de trabajo y longitud total de la probeta sin tratamiento térmico. Luego se procede a realizar marcas en los extremos de la probeta. Tensamos la probeta, y asimismo prendemos y calibramos el indicador y lector digital. Activamos la prensa hidráulica y los datos que se generan van quedando en el software. Accionamos la prensa hidráulica hasta que se fracture la probeta. Para finalizar, procedemos a retirar la probeta fracturada y procedemos a tomar sus medidas para observar su variación. Para la probeta con tratamiento térmico se siguen los mismos pasos.

9. Entregables Tabla 1. Datos Geométricos de la Probeta Material Probeta sin Trat.Térmico Probeta con Trat.Térmico

172 172

183.5 200.6

9.75 9.75

6.75 6.1

6.69 16.63

74.7 74.7

35.8 29.2

-52.1 -60.9

6

Fuente: Laboratorio UTP - 23/09/2020 Tabla 2. Datos experimentales de alargamiento (mm) y la carga aplicada (KN) Datos de probeta sin tratamiento térmico. Alargamiento (mm)

Carga (KN)

0.00

0.00

0.35

8.40

0.48

13.40

0.60

18.70

0.74

25.00

0.86

31.10

1.09

35.40

1.69

35.50

2.29

36.00

2.88

36.60

3.46

37.30

4.05

37.90

4.67

37.90

5.14

37.40

5.48

38.10

6.60

38.30

8.52

37.60

9.56

37.50

10.74

32.60

Fuente: Laboratorio Utp –23/09/2020

7

Datos de probeta con tratamiento térmico. Alargamiento (mm) Carga (KN) 0.00

-0.10

0.22 0.44

9.50 18.60

1.57

17.20

2.81

16.90

3.81

20.00

4.92

21.60

6.04

23.00

7.19

24.10

8.39

24.80

9.60

25.40

10.75

25.80

11.96

26.20

13.84

26.60

15.09

26.80

16.33

26.90

17.57

27.10

18.84

27.10

20.12

27.00

22.82

27.50

23.90

27.00

25.20

26.70

26.56

25.40

27.29

23.90

28.07

22.00

Fuente: Laboratorio Utp –23/09/2020 Tabla 3. Cálculo de la deformación unitaria (mm/mm) y el esfuerzo (KPa) Probeta sin tratamiento térmico.

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Deformación(mm) 0.000 0.002 0.003 0.003 0.004 0.005 0.006 0.010 0.013 0.017 0.020 0.024 0.027 0.030 0.032 0.038 0.050 0.056 0.062

Esfuerzo (KN/mm^2) 0.000 0.113 0.179 0.250 0.335 0.417 0.474 0.475 0.482 0.490 0.500 0.508 0.508 0.501 0.510 0.513 0.504 0.502 0.437

Probeta con tratamiento térmico Deformación (mm) 0.000 0.001 0.003 0.009 0.016 0.022 0.029 0.035 0.042 0.049 0.056 0.063 0.070 0.080 0.088 0.095 0.102 0.110 0.117

Esfuerzo (KN/mm^2) -0.001 0.127 0.249 0.230 0.226 0.268 0.289 0.308 0.323 0.332 0.340 0.346 0.351 0.356 0.359 0.360 0.363 0.363 0.362 9

0.133 0.139 0.147 0.154 0.159 0.163

0.368 0.362 0.358 0.340 0.320 0.295

10. DATOS A OBTENER 10.1 Grafica Esfuerzo vs Deformación Grafica N° 1 - Probeta sin tratamiento térmico

ESFUERZO VS DEFORMACIÓN 0.600

ESFUERZO (KN/mm^2)

0.500 0.400 0.300 0.200 0.100 0.000 0.000

0.010

0.020

0.030

0.040

0.050

0.060

0.070

DEFORMACIÓN (mm/mm)

Fuente: Laboratorio Utp –20/09/20

10

Grafica N°2 - Probeta con tratamiento térmico

ESFUERZO VS DEFORMACIÓN 0.400

ESFUERZO (KN/mm^2)

0.350 0.300 0.250 0.200 0.150 0.100 0.050 0.000 0.000 -0.050

0.020

0.040

0.060

0.080

0.100

0.120

0.140

0.160

0.180

DEFORMACIÓN (mm/mm)

Fuente: Laboratorio Utp –20/09/20 10.2 Esfuerzo de fluencia

Esfuerzo fluencia

Probeta sin tratamiento térmico de 0.474 KN/mm2

Probeta con tratamiento térmico 0.249 KN/mm2

10.3 Resistencia a la tracción Probeta térmico Resistencia a la tracción

sin

tratamiento

0.510 KN/mm2

Probeta con tratamiento térmico 0.368 KN/mm2

10.4 Esfuerzo de rotura Probeta sin tratamiento térmico Esfuerzo de 0.437 KN/mm2 rotura

Probeta con tratamiento térmico 0.295 KN/mm2

10.5 Ductilidad

Ductilidad

Probeta térmico 6.69%

sin

tratamiento

Probeta con tratamiento térmico 16.63% 11

10.6 Valor de módulo de elasticidad

Módulo elasticidad

de

Probeta sin térmico 74.82 MPa

tratamiento

Probeta térmico

tratamiento

Probeta con tratamiento térmico 97.91 MPa

10.7 Tenacidad

Tenacidad

sin

2.93*10E-2 MPa

Probeta con tratamiento térmico 3.78*10E-4 MPa

10.8 Resiliencia

Resiliencia

Probeta sin tratamiento Probeta con tratamiento térmico térmico 1.47*10E-3 MPa 1.60*10E-4 MPa

10.9 Análisis de la rotura La fractura es dúctil, ya que presenta una parte plana y un labio de corte, que forma unos 45° con la dirección de esfuerzo. 10.10. CONCLUSIONES •

De la tabla N° 2, podemos observar que, para la probeta sin tratamiento térmico, se necesita que la maquina ejerza una mayor fuerza en comparación con la probeta con tratamiento térmico.

•

De la tabla N° 3 se observa que la probeta sin tratamiento térmico tiene un resultado de esfuerzo mucho mayor, ya que, por lo mencionado antes, se requiere de una mayor fuerza para llegar a su punto de rotura.

•

De la gráfica N° 1, se puede analizar que muestra un ensayo normal, una gráfica muy convencional, de la cual podemos deducir que se realizó de manera correcta.

•

De la gráfica N° 2, podemos observar que hay un declive, del cual podemos decir que no se ejerció la fuerza suficiente en la prensa hidráulica, lo cual genero esto.

•

Se obtuvo los resultados de ambas probetas en su resistencia a la tracción: 12

Probeta con tratamiento térmico: 0.3683 N/mm2 con una carga de 27.5 KN. ▪ Probeta sin tratamiento térmico: 0.5103 N/mm2 con una carga de 38. 1 KN. Se puede observar que la probeta sin tratamiento térmico tiene una gran resistencia a la tracción, lo cual en la otra probeta no se da, y se puede determinar que es debido al efecto de la temperatura que se aplicó. ▪

•

•

•

•

•

Se puede realizar la comparación de su módulo de elasticidad: ▪ Probeta con tratamiento térmico: 98.02 Mpa. ▪ Probeta sin tratamiento térmico: 74.82 Mpa. El módulo de elasticidad (E) es un parámetro característico de cada material que indica la relación existente (en la zona de comportamiento elástico de dicho material) entre los incrementos de tensión aplicados (ds) en el ensayo de tracción y los incrementos de deformación longitudinal unitaria (de) producidos, es claro que la probeta con tratamiento posee un módulo mayor. Por último, con estas dos probetas con relación a su reducción de su área como resultado de la fuerza de tracción aplicada es: ▪ Probeta con tratamiento térmico: una reducción de área de 60.86%. ▪ Probeta sin tratamiento térmico: una reducción de área de 52.07%. Al tener más ductilidad la barra de acero que tiene el tratamiento térmico se comporta de forma que resiste más las fuerzas de tracción antes de realizar el rompimiento por lo tanto presente una mayor reducción de su área transversal.

11 Influencia del % c y tratamiento térmico aplicado a los resultados obtenidos. •

La inclusión del carbono en la probeta hace que este tenga una gran resistencia, lo cual explica los datos obtenidos, ya que al someter una de las probetas a la temperatura, esta pierde esta cualidad, y de esta manera su fractura se da más rápido.

12. OBSERVACIONES ➢ Al momento de colocar las probetas sobre la máquina, estas deben estar bien aseguradas para que se pueda ejercer un buen ensayo, sin fallo alguno. ➢ Cuando se genera la rotura en las probetas, son retiradas de inmediato, para así obtener las nuevas medidas y sus datos del software. ➢ Es importante tener las medidas exactas, ya que según esos datos tendremos que realizar muchas operaciones matemáticas.

13

13. RECOMENDACIONES ➢ Este tipo de ensayo de laboratorio debería realizarse de una manera presencial, ya que así nos permite saber más a detalle, como por ejemplo el tipo de rotura de las probetas. ➢ Las probetas deben estar bien aseguradas, para que, de esta manera al ejercer la fuerza sobre estas, vaya de menos a más y no pueda haber una variación en los datos de software. 14. ANEXOS

El Ing. Enrique Pardo nos muestra los materiales que se usaran para esta prueba en laboratorio.

14

El Ing. Enrique Pardo en compañía del asistente de laboratorio Walter Jaime comienzan a medir las probetas.

Luego de medir las probetas se procederán a marcarlas, asimismo se deberán tensar en la máquina de prueba universal. 15

A continuación, con la probeta ya tensada se procederá a encender y calibrar el lector e indicador digital.

El asistente de laboratorio Walter Jaime accionara la prensa hidráulica hasta que se fracture la probeta. 16

Se puede apreciar que, al accionar la prensa hidráulica la probeta está siendo ligeramente alargada.

La probeta se fracturo y gracias a eso pudimos observar la resistencia de material al ensayo de tracción. 17

ANÁLISIS DETALLADO DEL TIPO DE FRACTURA Si la deformación plástica es elevada se considera una fractura de tipo DUCTIL.

FRACTURA DUCTIL Deformación plástica apreciable entorno a la grieta.

1. DIRECCIÓN FRACTURADA: La dirección del movimiento de la grieta NO tiene porqué ser perpendicular (90°) a la dirección de la tensión aplicada. 18

ESTRUCTURA CILINDRICAS ROTURA FORMA ROTURA FORMA ROTURA COPA-CONO MEDIA FORMA BISEL COPA-CONO

ESTRUCTURA PLANAS ROTURA PLANA ROTURA PLANA ROTURA BISEL O DOBLE BISEL CON LABIOS CON LABIOS ALTERNATIVOS

2. VELOCIDAD FRACTURADA: - Velocidad de formación lenta - Grieta estable durante un mayor ciclo de vida (color oscuro superficie)

19

3. MORFOLOGIA FRACTURADA: Como consecuencia de las elevadas deformaciones plásticas se observarán superficies rugosas, poco lisas y con desgarros.

ASPECTO MACROMORFOLOGICO En general superficies menos brillantes, elevadas deformaciones, desgarro de material.

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