Informe N°2 - Ensayo de tracción PDF

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SEGUNDO INFORME DE LABORATORIOLABORATORIO DE ENSAYO DE TRACCIÓNAPELLIDOS Y NOMBRES:PROFESOR:Sampén Alquízar, Luis AlbertoCURSO-SECCIÓN:Ciencia de los Materiales - MC112 - BINSTITUCIÓN:Universidad Nacional de IngenieríaFECHA DE REALIZACIÓN DEL EXPERIMENTO:04-04-FECHA DE PRESENTACIÓN:11-04-2018-I2018-...

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SEGUNDO INFORME DE LABORATORIO LABORATORIO DE ENSAYO DE TRACCIÓN

APELLIDOS Y NOMBRES:

PROFESOR: Sampén Alquízar, Luis Alberto CURSO-SECCIÓN: Ciencia de los Materiales - MC112 - B INSTITUCIÓN: Universidad Nacional de Ingeniería FECHA DE REALIZACIÓN DEL EXPERIMENTO: 04-04-2018 FECHA DE PRESENTACIÓN: 11-04-2018

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Facultad de Ingeniería Mecánica 2018-I

ÍNDICE 1. OBJETIVO

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2. FUNDAMENTO TEÓRICO

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3. PARTE EXPERIMENTAL

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3.1. EQUIPOS Y MATERIALES

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3.2. PROCEDIMIENTO

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3.3. CÁLCULOS Y RESULTADOS

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4. ANÁLISIS DE RESULTADOS

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5. CONCLUSIONES

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6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Facultad de Ingeniería Mecánica 2018-I 1. OBJETIVOS: ●

Entender e interpretar las gráficas fuerza-alargamiento obtenidas en los ensayos de tracción.

●

Ser capaz de calcular los siguientes parámetros en un material a la vista de la gráfica fuerza-alargamiento. a) b) c) d)

Esfuerzo de fluencia (Límite elástico) Resistencia a la tracción Alargamiento a la rotura Estricción a la rotura

2. FUNDAMENTO TEÓRICO [1] [2]: El ensayo de tracción mide la resistencia de un material a una fuerza estática o gradualmente aplicada. La probeta se coloca en la máquina de pruebas y se le aplica una fuerza F, que se conoce como carga. Para medir el alargamiento del material causado por la aplicación de fuerza en la longitud calibrada se utiliza un extensómetro. Esfuerzo de tracción y deformación ingenieriles. Para un material, los resultados de un solo ensayo son aplicables a todo tamaño y formas de muestras, si se convierte la fuerza en esfuerzo y la distancia entre marcas calibradas en deformación. El esfuerzo de tracción es el esfuerzo que soporta un material para ser estirado, se obtiene mediante la siguiente ecuación (Ver ecuación 1): F Esfuerzo de tracci ó n(σ )= (1) A Donde F es la fuerza de tracción que soporta un material mientras es estirado y A es el área perpendicular que soporta la fuerza. La deformación es el alargamiento unitario que experimenta el material mientras es sometido a fuerzas de tracción. Se obtiene mediante la relación siguiente (Ver ecuación 2): Deformació n(ε )=

∆L L0

Donde ΔL es el alargamiento (mm) cuando se soporta una fuerza de tracción F y la longitud inicial del material.

(2) L0 es

PROPIEDADES OBTENIDAS DEL ENSAYO DE TRACCIÓN ● Esfuerzo de cedencia. También llamado límite elástico, es el esfuerzo al cual la deformación plástica se hace importante, divide los comportamientos elástico y plástico del material. Si se desea diseñar un componente que no se deforme

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Facultad de Ingeniería Mecánica 2018-I plásticamente, se debe seleccionar un material con un límite elástico elevado, o fabricarlo del trabajo suficiente para que F produzca un esfuerzo que quede por debajo del esfuerzo de cedencia. Se calcula con Fe , fuerza límite elástico del material. ● Resistencia a la tensión. El esfuerzo máximo que soporta el material, se ve como el punto más alto de la curva esfuerzo-deformación ingenieril. En muchos materiales dúctiles, la deformación no se mantiene uniforme. Se calcula con Fmax , fuerza máxima de tracción. ● Esfuerzo de fluencia [3]. Esfuerzo máximo que se puede desarrollar en un material sin causar una deformación plástica, Es el esfuerzo en el que un material exhibe una deformación permanente especificada y es una aproximación práctica de límite elástico. Se calcula usando F f , fuerza límite de fluencia. ● Ductilidad. Mide el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Se puede medir la distancia entre las marcas calibradas en una probeta antes y después del ensayo. El % de elongación representa la distancia que la probeta se alarga plásticamente antes de la fractura (Ver ecuación 3):

% de elongaci ó n(ε )= Donde lf material.

lf −l 0 ×100 l0

(3)

es la distancia entre las marcas calibradas después de la ruptura del

Un segundo método para medir la ductilidad es calcular el cambio porcentual en el área de la sección transversal en el punto de fractura antes y después del ensayo. El % de reducción en área expresa el adelgazamiento sufrido por el material durante la prueba (Ver ecuación 4).: % de reducci ó n en á rea(Ψ )= Donde A f

A 0− A f ×100 A0

(4)

es el área de la sección transversal en la superficie de la fractura.

DIAGRAMA FUERZA - ALARGAMIENTO (F-ΔL). Este diagrama nos permite observar y analizar los parámetros obtenidos en el ensayo de tracción. (Véase Figura 1)

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Figura 1. Diagrama F-∆L.

   

Fp = Fuerza límite de proporcionalidad Fe = Fuerza límite elástico del material. (Final del comportamiento elástico) Ff = Fuerza límite de fluencia (Inicio de la deformación plástica) Fmax = Fuerza máxima de tracción que soporta el material

3. PARTE EXPERIMENTAL: 3.1. EQUIPOS Y MUESTRAS: EQUIPOS Equipo de ensayo de tracción (Extensómetro) Vernier con aproximación de 0.05 mm

MUESTRAS Acero AISI 1010 Acero AISI 1045 Cobre Aluminio Bronce

3.2. PROCEDIMIENTO: a. Se comienza a tomar las medidas iniciales de la probeta (longitud, diámetro) con ayuda del Vernier. Para que la medición se haga más sencilla, se hace una marcación en la probeta, dividiéndola en cuatro partes iguales. (Véase Figura 2)

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Figura 2. Medidas a tomar en la probeta. b. Se coloca la muestra en las mordazas de sujeción, siguiendo la secuencia indicada por el profesor. c. Luego se coloca una hoja de papel cuadriculado en el tambor graficador, y se sujeta que un lápiz o lapicero, el cual se encargará de dibujar la curva F-ΔL según la muestra que se esté poniendo a prueba. d. Una vez iniciada la experiencia, se puede observar que en cierta parte de la máquina hay un medidor de carga, el cual consta de dos agujas, una roja y una negra. La aguja roja indica el valor de la carga máxima que puede soportar dicho material, mientras que la aguja negra determina la carga instantánea de la probeta. e. En el momento inmediato en el que se produce la ruptura de la probeta, se debe anotar los valores registrados por el medidor, y así también, tomar las medidas finales de longitud y diámetro de la zona de ruptura de dicha probeta. f. Por último, se deben realizar todos los pasos anteriores utilizando las demás probetas. 3.3. CÁLCULOS Y RESULTADOS:

Material Acero SAE 1010 Acero SAE 1045 Cobre Aluminio Bronce

DATOS INICIALES Lo ( mm ) Do ( mm ) 30 5.97 30 6.07 30 5.99 30 6.09 30 6.30

Ao ( mm2 ) 56.16 58.06 56.54 58.44 62.54

Ensayo de tracción: Haciendo uso de los conceptos y fórmulas definidos en el fundamento teórico, se realizan todos los cálculos correspondientes y se obtienen los datos que se piden para cada material.

DATOS OBTENIDOS

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Lfinal ( mm ) Dfinal ( mm ) Afinal ( mm2 ) Fmax ( kN ) Ff ( kN ) σmax ( 2 N /mm ) σf (N/ mm2 ) Ψ( % ) ε( % )

SAE 1010 30.72 4.19 27.51 18.23 11.22

SAE 1045 32.90 3.72 21.74 30.38 23.45

Cobre 34.06 3.85 23.28 12.25 4.42

Aluminio 36.40 2.73 11.66 7.06 6.41

Bronce 35.90 5.35 44.96 17.54 9.37

324.56 199.71 0.51 0.02

523.25 403.96 0.63 0.10

216.66 78.24 0.59 0.14

120.73 109.75 0.80 0.21

280.48 149.87 0.28 0.20

Gráficas obtenidas en el ensayo de tracción de los diferentes materiales brindados como muestras.

Figura 3. Diagrama F-∆L del bronce 1045

Figura 4. Diagrama F-∆L del acero SAE

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Figura 5. Diagrama F-∆L de los siguientes materiales, de izquierda a derecha: Aluminio, Cobre, Bromo y Acero SAE 1045. 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS: ●

Material más frágil: El acero SAE 1010, se pudo observar en la probeta una fractura característica de los materiales frágiles, y además, según los cálculos realizados se comprobó que este material presentaba el menor porcentaje de elongación, lo que lo convierte en el material más frágil del experimento.

●

Material más dúctil: El aluminio, este material presentó el mayor porcentaje de elongación, así como la menor fuerza de fluencia. Con esto, queremos decir que el aluminio requirió de poca fuerza para empezar a deformarse plásticamente, y fue la probeta que más logró estirarse, de esto se trata el comportamiento dúctil en un material.

●

Material que requirió mayor carga para generar la ruptura: Acero 1010. Según los resultados en los cálculos, este material presenta un mayor esfuerza de tracción, esto quiere decir que requiere de mucha más fuerza para romperse. Esto también puede deberse al poco porcentaje de elongación, el material no se deforma aun cuando se somete a grandes cargas.

●

Diferencias en las fracturas generadas en cada probeta: Se observó que mientras algunas probetas presentaban roturas limpias y que encajaban a la perfección, otras presentaban en la zona de rotura el conocido “cuello de botella”, este análisis nos permite conocer si el material es dúctil, o frágil, basándonos en lo siguiente (Ver figura 3):

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Figura 3. Esquema de la respuesta de una barra cilíndrica de metal a una fuerza de tracción de dirección opuesta a sus extremos. (a) Fractura frágil. (b) Fractura dúctil. (c) Fractura totalmente dúctil. En “Ductilidad”, por Wikipedia, 2008, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ductility.svg. Según sus respectivos diagramas F-ΔL también podemos notar la diferencia, se puede apreciar que en los materiales frágiles hay menor deformación del material, y la rotura ocurre al llegar a la fuerza máxima de tracción, casi simultáneamente con el punto de falla (fuerza límite de fluencia), mientras que en los materiales dúctiles, hay todo un proceso de plasticidad del material, durante el cual se produce el “cuello de botella” en el lugar de la fractura (Ver figura 4).

Figura 4. Diagramas F-ΔL para materiales frágiles y dúctiles. En “Ensayo de Tracción” por A. Pérez, 2014, http://www.mecapedia.uji.es/ensayo_de_traccion.htm.

●

Comparación de resistencias y ductilidades:

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Material SAE 1010 SAE 1045 Cobre Aluminio Bronce

COMPARACIÓN DE RESISTENCIAS Y DUCTILIDADES σmáx σmáx (MPa) Diferencia ε (%) Investigado Diferencia Investigado (MPa) 324.56 343.23 18.67 0.02 0.02 0.00 523.25 565.00 41.75 0.10 0.096 0.004 216.66 208.00 8.66 0.14 0.16 0.02 120.73 125.00 4.27 0.21 0.20 0.01 280.48 276.00 4.48 0.20 0.20 0.00

5. CONCLUSIONES: ● Del ensayo de tracción que se le aplicó a cada muestra se pudo concluir que la deformación de las probetas no se realiza de manera uniforme, hay momentos en las cuales la deformación es mucho mayor que en otras y esto se debe a las propiedades mecánicas de los materiales. ● Las áreas de ruptura varían según la muestra que se coloque, dándose aquí la conclusión que la composición química de cada probeta influye mucho en la resistencia a la tracción. ● De este laboratorio se colige que es importante el realizar los ensayos de tracción a los diversos materiales a los que se les pueda dar uso, ya que de esta manera se podría dar un uso y adecuado mantenimiento dentro del marco de la ingeniería mecánica en general. ● Equiparando gráficas de deformaciones se concluye que la construcción de la curva real a partir de la curva de ingeniería, esta última es más reducida en comparación a la gráfica real, es decir, sus valores de esfuerzo y deformación son menores (en la mayoría de los casos) que lo real. ● Para hallar la fuerza de fluencia y anotarlo en lo obtenido en la práctica se concluye que el uso de una buena escala y medida es muy eficiente en este tipo de registros. ● El punto de rotura de todas las probetas dadas como muestra en este laboratorio se dio después de darse el esfuerzo máximo, en un breve tiempo y con un esfuerzo menor al esfuerzo máximo. 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: [1] Askeland D. R. (1998). Ciencia e ingeniería de los materiales. Pág. 131-137. International Thomson Editores. México. [2] Departamento de Ciencias e Ingeniería. Laboratorio de Ciencia de Materiales I (2018). Laboratorio de ensayo de tracción. Perú.

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Facultad de Ingeniería Mecánica 2018-I [3] Instron. Esfuerzo de fluencia. http://www.instron.com.ar/es-ar/our-company/library/glossar y/y/yield-strength (Visitado el 08-04-2018) [4]

Suministros

Técnicos

(SUMITEC). Bronces http://www.sumiteccr.com/bronce/B07.pdf (Visitado el 09-04-2018) [5]

Aceros

Luchriher

[6]

Heyco

Metals

S.A.

S.A.

(SLUCHRIHER).

UNS

C90500.

SAE 1008 Y 1010. http://acerosluchriher.mx/portfolio-posts/acero-sae-1008-y-1010/ (Visitado el 09-04-2018) Industry

(HEYCO).

Acero

Cobre

y

aleaciones de cobre (Visitado el 09-04-

http://heycometals.com/heyco_copper-datasheet_espanol_9-16.pdf/

2018) [7] Departamento de Bibliotecas. Universidad de Cádiz. Biblioteca [en línea]. Journal of Neogranadine Science and Engineering. Estructura cristalina del cobre, propiedades microscópicas mecánicas y de procesamiento (Visitado el 09-04-2018]. Disponible en: http://biblioteca.uca.es/ [8] Apraiz, J. Tratamiento Térmico de los Aceros.

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