Practica Tension - Práctica Tensión PDF

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INSTITUTO NACIONAL. al servicio de la ESCUELA SUPERIOR DE Y UNIDAD PROFESIONAL Departamento de Laboratorios y Talleres. Laboratorio de Ensaye de Materiales. de Materiales Practica 3: Ensayo de Profesor de laboratorio: David Anaya Gallegos. Profesor de materia: Manuel Sauce Rangel Alumnos: Guerrero M...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL. “La técnica al servicio de la patria” ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN.

Departamento de Laboratorios y Talleres. Laboratorio de Ensaye de Materiales. Ingeniería de Materiales

Practica 3: Ensayo de tensión. Profesor de laboratorio: David Anaya Gallegos. Profesor de materia: Víctor Manuel Sauce Rangel

Alumnos: Guerrero Malpica Oskar Alfonso Ortiz Manzano Daniel Ruan Piñón Misael Topiltzin Grupo: 3AM1.

Fecha de práctica: 06 de Diciembre de 2018. Fecha de entrega: 13 de Diciembre de 2018.

Calificación: ______________

I. OBJETIVO Conocer cómo se comportan los materiales cuando estos son sometidos a un esfuerzo hasta alcanzar la fatiga, llegando a comprender el porqué de la falla, además de obtener un resultado cercano a lo que sería el comportamiento de un material ante una situación real. II. CONDICIONES AMBIENTALES

Iniciales

Finales

Temperatura de 18°C y 40% de humedad relativa.

Temperatura de 18.2°C y 40% de humedad relativa.

III. MATERIAL, HERRAMIENTA Y EQUIPO

Material: Probetas Largo: 55 mm. Ancho: 10 mm. Alto:10 mm. Muesca: V

Herramienta: Extensómetro Magnitud: 50 mm. Tipo: Estático. .

Equipo: Máquina universal de pruebas mecánicas Marca: Instron Modelo: 8205 Capacidad: 250 kN

IV. INTRODUCCIÓN En muchas de las tecnologías actuales, el enfoque principal se encuentra en las propiedades mecánicas de los materiales a emplearse, debido a que se utilizan en la construcción de estructuras como edificios puentes o la fabricación de vehículos que se someten a distintas cargas mecánicas que deben soportar por un periodo largo , en este caso para cuando se necesitan materiales que deben resistir funcionando como soporte de carga, se seleccionan de acuerdo a un análisis de la aplicación del material para determinar características importantes haciendo ciertas cuestiones ¿Sera un material resistente , dúctil, rígido? Una vez que se conocen sus propiedades se procede a darles un uso adecuado, en el desarrollo de esta práctica se realizó un ensayo del cual los resultados arrojados nos dicen la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada, este es uno de los ensayos mecánicos tensión-deformación más común puede ser utilizado para determinar varias propiedades de los materiales, ya que consiste en deformar una probeta hasta rotura, con una carga de tracción que aumenta gradualmente y que es aplicada úniaxialmente a lo largo del eje de la probeta. Los ensayos de tensión se realizan en materiales metálicos (aluminio y probeta de acero). Existen diferentes normas para realizar el ensayo de tensión, pero en el desarrollo de esta práctica la utilizada fue ASTM E8/E8M-16a. Desde otro punto de vista, este ensayo puede representar mejor que otro el comportamiento del material, según sea la forma en que el material se desempeña en la aplicación ingenieril de que se trate. La resistencia a la tensión en un material es el esfuerzo requerido para romperlo en un ensaye a tracción. El valor de esta propiedad en los materiales depende principalmente de su estructura química, naturaleza y arreglo de los átomos. La máquina de ensayo de tensión (máquina universal) cuenta con un marco en el cual se encuentran dos mordazas: una fija y una móvil. La mordaza móvil, por lo general, se mueve mediante un tornillo sin fin o un mecanismo hidráulico. Como datos de entrada requiere la longitud calibrada y el área de sección transversal de la probeta para posteriormente generar la gráfica esfuerzo-deformación. La máquina universal de ensayos trae incluido un software que permite graficar la evolución del material a lo largo del ensayo, obteniendo gráficas que permiten obtener información útil para el diseño y selección de materiales para diversos procesos de fabricación. El desarrollo de este ensayo se da de la siguiente manera, se realiza fijando una probeta en sus extremos a una mordaza fija y otra móvil, durante el desarrollo se puede ver como hay un desplazamiento de la mordaza fija, la cual aplica una carga de tensión en la probeta. Una vez se alcanza el valor de esfuerzo último, la probeta falla, dividiéndose en dos mitades; en este punto se concluye el ensayo. Las probetas empleadas para el ensayo de tensión poseen dimensiones estandarizadas y estipuladas por la norma ASTM E8, la cual define las consideraciones en cuanto a geometría y características generales de la probeta para el ensayo. Se pueden emplear tres tipos de probetas: con sección circular, planas o secciones de varilla (longitud de acuerdo a la norma). Del ensayo de tensión se obtienen las gráficas representativas para determinar la resistencia y la capacidad de deformación de un material, este ensayo puede aplicarse a todo tipo de

materiales, para obtener resultados que permiten diferenciarlos notablemente, existe una diferencia muy marcada entre la gráfica esfuerzo-deformación para un material frágil y para un material dúctil.

V. CONSIDERACIONES TEÓRICAS El ensayo de tensión determina la resistencia de un material a una fuerza estática gradualmente aplicadas; con los datos obtenidos se puede obtener la gráfica de Fuerza (KN) contra alargamiento (mm). Para caracterizar adecuadamente a los materiales, se requiere obtener un diagrama de Esfuerzo (α) contra deformación (ε). El Esfuerzo (α) se obtiene al dividir todos los valores de carga entre el área en deformación unitaria (ε), se obtiene aplicando la siguiente fórmula: ε=

mm 2 y la

L−Lo Lo

Donde:   

ε= Deformación unitaria ingenieril. L= Distancia (mm) entre las marcas calibradas, después de haberse aplicado la fuerza F. Lo= Distancia original (mm) entre marcas calibradas.

Al graficar esfuerzo contra deformación unitaria, se obtiene la siguiente gráfica, con la cual se puede caracterizar cualquier material. A partir de un ensayo de tensión, se puede obtener información relacionada con la resistencia, rigidez y ductilidad de un material.

Esfuerzo de cedencia Es el esfuerzo que divide el comportamiento elástico y plástico del material. En algunos materiales, el esfuerzo al cual el material cambia su comportamiento de elástico a plástico no se detecta fácilmente. En este caso, se determina un Esfuerzo de cedencia convencional. Se traza una línea paralela a la posición inicial de la curva EsfuerzoDeformación, pero desplazada 0.002 mm/mm (0.2% del origen) y que cruce la curva del diagrama; el punto de intersección corresponderá al punto de cedencia; este procedimiento es el método offset con la norma ASTM E8-01. Módulo de elasticidad o módulo de Young “E” Es la pendiente de la curva Esfuerzo-Deformación en su región elástica. Esta relación es conocida como la ley de Hooke. E=

∆σ ∆ε

El módulo es una medida de la rigidez del material.

VI. DESARROLLO Para comenzar con la prueba de tensión en la probeta que el profesor nos proporcionó, primero tomamos valores del diámetro con el calibrador vernier en varios puntos de la parte delgada de la probeta; aproximadamente tomamos 5 valores diferentes y después hicimos un promedio de todas las medidas. Después hicimos una medición de 50 milímetros, usamos esta medida porque es la medida con la que inicia a tomar valores el extensómetro que utilizamos en la maquina universal de ensayos mecánicos y en medio de las dos marcas a 50 milímetros pusimos una marca que nos serviría de referencia para saber cuánto se deformo la probeta. Una vez hechas las marcas y las mediciones iniciales la probeta paso a ser llevada a la máquina, se puso en las mordazas de está y el profesor del laboratorio coloco el extensómetro y preparo la máquina para que comenzara a realizar el ensayo de tensión. La máquina registro que tanta carga se le aplico a la probeta y que tanta deformación se dio en ella hasta que llego a romperse. Una vez rota la probeta se le retiro el extensómetro y se le retiro de las mordazas; se tomaron medidas finales de longitud y diámetro las cuales nos sirven para saber cuál fue el comportamiento del material a lo largo de toda la prueba. Instrucciones Encender el equipo conforme al Instructivo de operación del equipo.

Instalar los cabezales para ensayo de tensión y las mordazas cilíndricas de 7-12 mm (0.280”-0.500”). Encender el equipo de cómputo. Medir el diámetro de la probeta en su sección reducida. Hacer dos marcas muy superficiales sobre la sección reducida con una separación de 55mm. Aplicar tinta azul de Prusia en la sección reducida. Accesar al software SERIE IX del equipo. Accesar al programa “METODOS”, archivo-abrir. Seleccionar el método No. 12 “Ensayo de tensión con probeta cilíndrica”. Capturar las condiciones de ensayo y el diámetro de la probeta en su sección reducida “Guardar” “Salir”. Oprimir la tecla “Function” localizada en el tablero de control y seleccionar unidades kN. Oprimir “CounterTimer” y “Elapsed Time”. Calibrar la “Celda de Carga” en la sección “Load”; “CAL”; “AUTO” Y “GO”, esperar a que termine el parpadeo. Oprimir “Position”, “Inmed”, Waverform”. Fijar la magnitud de 250 mm y velocidad de prueba de 0.010 mm/s (0.6 mm/min). Instalar el extensómetro en el módulo de conexiones canal 1. Instalar el extensómetro en la sección reducida de la probeta. Oprimir botón “Stand by” y “High” del panel de control del equipo. Fijar la probeta en las mordazas con ayuda del módulo de fijación y liberación de mordazas (presión de 3000 Ib / pulg 2 ). Calibrar el extensómetro: Oprimir “Set Up” en la sección “Strain” y posteriormente “Cal” “Cal” “Auto”; al concluir el parpadeo, en el Display 2 se indicará 0,000 mm. Accesar a “Ensayo” y alimentar el nombre del archivo y diámetro de la prueba en su sección reducida.

Antes de pulsar el botón “Remote” para que dé comienzo el ensayo, asegúrese de que el “Actuador” este activado, que las palancas del módulo de fijación estén en “Hold”, que el valor de la magnitud de 250 mm en el tablero de control de la máquina sea positivo. Pulsar el botón “Remote”; el ensayo dará comienzo. Una vez formado el cuello en la sección reducida de la probeta, retirar el extensómetro, a efecto de evitar daño de este. Concluido el ensayo, en el tablero de control se iluminará la tecla “END”. EN el software indicar: Fin de muestra, continuar, aceptar, aceptar y “No” (Cuando pregunte ¿Desea ensayar otra muestra?) y salir del ensayo. Separar los extremos de la probeta de las mordazas. Accesar a “Utilidades” en el software serie IX y procesar la información en la siguiente forma:                        

DATOS EN BRUTO-MOSTRAR DATOS-DAR NOMBRE AL ARCHIVO, “ENTER” – FILE-CREATE ASCII FILE HEADERQUITCANCELARSALIRSALIR ¿Se cerrará la aplicación serie IX? ACEPTAR INICIOPROGRAMAS-MS-DOS: C:\WINDOWS>cd.. C:\>cd instron\rogelio>dir.cd C:\>cd instron\rogelio>dir.AB44.mad ENTER (debe aparecer la cantidad de bytes que contiene el archivo) C:\>cd instron\rogelio>edit AB44.mad aparecerá pantalla azul con datos del ensayo ARCHIVOGUARDAR COMO AB44.txt-ACEPTAR INICIO-PROGRAMAS EXCELL-ARCHIVO-ABRIR-“C”-INSTRON-ROGELIOSAND-ABRIR TODOS LOS ARCHIVOS DESDE TEXTO. Localizar el archivo y abrirlo. DELIMITADOS-SIGUIENTE-TABULACIÓN-COMA-SIGUIENTE-FINALIZAR. Capturar los archivos en Excel. Apagar el equipo.

VII. CALCULOS Módulo de Young

 E=

σ 2−σ 1 ε 2−ε 1

E=

310.10−286.68 =242946.0581 .0015306 −.0014342

E=242946.0581

Resistencia a la tracción (Esfuerzo máximo).



Es el valor máximo del esfuerzo de ingeniería al que puede ser sometido el material antes de una estricción o fractura, en el caso de la probeta nos dio que el valor máximo fue de 844.20Mpa. Limite elástico (Esfuerzo de cedencia).



Es la tensión máxima que un material elastoplástico puede deformaciones permanentes, la gráfica nos aproximó a620.32Mpa.

soportar

sin

sufrir

Fractura (Esfuerzo de ruptura)



Es el esfuerzo final antes de la ruptura, este nos arrojó703.68Mpa. Porcentaje de alargamiento.



A %=

l f −l i 54.7421−50 ( 100 ) A %= (100 ) =9.5842 % 50 li

Reducción de área.



Para calcular el porcentaje primero tenemos que determinar el área inicial y el área final. 2

Ai=

( 8.94 mm ) ( 3.1416 ) 2 =62.771 m m 4

Af =

( 7.2 mm ) 2 ( 3.1416 ) =40.7151 m m2 4

Ra%=

Af− Ai 40.7151−62.771 ( 100) Ra %= (100 )=−35.137 % 62.771 Ai

ACERO 1018 700000 600000

Esfuerzo (kN/m2)

500000 400000 300000 200000 100000 0 0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

-100000

Deformación

ACERO 4041 1000000 900000

Esfuerzo (kN/m2

800000 700000 600000 500000 400000 300000 200000 100000 0

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

Deformación

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

ACERO 4041 TEMPLADO 800000 700000

Esfuerzo (kN/m2)

600000 500000 400000 300000 200000 100000 0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Deformación

ALUMINIO 6061-T6 350000 300000

Esfuerzo (kN/m2)

250000 200000 150000 100000 50000 0

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

Deformación

En el caso del cálculo del Módulo de resiliencia y tenacidad debemos encontrar una función que corresponda a la gráfica para así poder integrarla y encontrar el área, en este caso la encontramos con la ayuda de Excel. y = -8E-14x6 + 2E-10x5 - 1E-07x4 + 5E-05x3 - 0.0101x2 + 1.1144x - 0.5736

VIII. RESULTADOS A primera instancia en el momento en que se realizó la práctica pudimos observar que el material por el cual estaba hecha la probeta era muy resistente, pues se observó que se le iba aplicando una carga muy alta y en la probeta apenas y se veía que se empezaba a hacer el encuellamiento, siendo este muy poco notable. Una vez ya realizando los cálculos correspondientes obtuvimos los datos que a continuación se muestran en la tabla. Esfuerzo de Cedencia. Esfuerzo Máximo Esfuerzo de Ruptura Módulo de Elasticidad % de Alargamiento % de Reducción de Área

620.32Mpa. 844.20 Mpa. 703.68Mpa. 242946.0581 9.5842 % −35.137 %

El esfuerzo de cedencia fue de 620.31 Mpa que es aquel que divide los comportamientos elásticos y plásticos de un material, el esfuerzo máximo fue de 844.20 Mpa que es el punto donde el material sometido a tensión empezó a manifestar una zona de estricción, mejor conocido como el encuellamiento descendiendo a partir de ahí la fuerza aplicada en el material hasta que ocurre la fractura, el esfuerzo de ruptura fue de 703.68 Mpa que fue justo cuando el material sufrió la fractura, también se obtuvo el módulo de Young que fue de 242946.0581 y el porcentaje de alargamiento y reducción de área, siendo 9.5842% y -35.137% respectivamente.

Por lo que, comparando la gráfica correspondiente y los cálculos hechos, llegamos a la conclusión que la probeta estaba hecha de un acero 1020 el cual cómo podemos ver tiene una gran resistencia. Este acero 1020 por su contenido de carbono se utiliza para la fabricación de piezas estructurales de mediana resistencia con una gran tenacidad.

IX. OBSERVACIONES Es necesario tener los conocimientos previos sobre la práctica que se tiene que realizar, con la lectura de la norma E8/E8M-16a, que es la norma que le corresponde a esta práctica. Antes de iniciar con el desarrollo la práctica se tomaron condiciones de temperatura, al concluir esta, se tomaron nuevamente las condiciones a las que estábamos. Esto porque las propiedades del material se ven afectadas por la temperatura. Las pruebas de tensión proporcionan información sobre la resistencia y ductilidad de los materiales bajo esfuerzos de tracción uniaxial. Esta información puede ser útil en comparaciones de materiales, desarrollo de aleaciones, control de calidad y diseño bajo ciertas circunstancias. Los resultados de las pruebas de tensión de muestras mecanizadas a dimensiones estandarizadas de partes seleccionadas de una parte o material pueden no representar totalmente las propiedades de resistencia y ductilidad de todo el producto final o su comportamiento en servicio en diferentes entornos. Las fuerzas utilizadas para determinar la resistencia a la tracción y la resistencia de elasticidad deben estar dentro del rango de aplicación de fuerza verificada de la máquina de prueba. Las muestras de prueba deben ser de tamaño sustancialmente completo o maquinadas, según lo prescrito en las especificaciones del producto para el material que se está probando. Antes de realizar el ensayo de tensión las muestras deben ser marcadas con un plumón permanente, estos puntos marcados deben de estar a 50 mm entre ellos, es decir la longitud inicial de la muestra debe de ser 50 mm en este caso. Las muestras de prueba preparadas incorrectamente a menudo son la razón de resultados de prueba insatisfactorios e incorrectos. Es importante, por lo tanto, que se tenga mucho cuidado en la preparación de muestras, particularmente en el mecanizado, para maximizar la precisión y minimizar el sesgo en los resultados de las pruebas. La sección reducida que incluye los filetes de las muestras preparadas debe estar libre de trabajo en frío, muescas, marcas de parloteo, surcos, gubias, rebabas, superficies o bordes ásperos, sobrecalentamiento o cualquier otra condición que pueda afectar perjudicialmente las propiedades que se deben medir. El área de la sección transversal de la muestra debe ser más pequeña en el centro de la sección paralela reducida para asegurar la fractura dentro de

la longitud del calibre. Por esta razón, se permite un pequeño estrechamiento en la sección paralela reducida de cada una de las muestras. Durante el arranque, o después de un período prolongado de inactividad de la máquina, la máquina de prueba debe ejercitarse o calentarse a temperaturas de funcionamiento normales para minimizar los errores que pueden resultar de condiciones transitorias. La longitud del calibre para la determinación de alargamiento debe estar de acuerdo con las especificaciones del producto para el material que se está probando. Las marcas de calibre se estamparán ligeramente con un punzón, se marcarán ligeramente con divisores o se dibujarán con tinta como se prefiera. Para material sensible al efecto de muescas leves y para muestras pequeñas, el uso de tinta de diseño ayudará a ubicar las marcas de calibre originales después de la fractura. El alargamiento uniforme incluirá tanto elongación plástica como elástica. El alargamiento se puede calcular a partir de mediciones de alargamiento después de la fractura o directamente a partir de mediciones de alargamiento a la fractura. Cualquiera de los valores puede ser reportado, pero el método utilizado debe ser reportado. Cuando surjan desacuerdos sobre los resultados de alargamiento, las partes acordarán qué método utilizar para obtener los resultados.

X. CONCLUSIONES Guerrero Malpica Oskar Alfonso

De acuerdo al gráfico 1, se puede observar la tendencia que sigue nuestro material probado. El factor de la temperatura afecta la cantidad de energía que puede absorber un material, ya que a menor temperatura la absorción de energía será menor mientras que al aumentar ésta se incrementa considerablemente la tenacidad. La afirmación anterior se puede ver en las catástrofes más conocidas, relacionadas con la transición dúctil-frágil que experimentan algunos materiales al disminuir la temperatura. ...