Reporte Ensayo de Tracción PDF

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Determinación de propiedades mecánicas basados en la prueba destructiva de tracción....

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE HIDALGO INSTITUTO DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA

INGENIERÍA MINERÍA Y METALÚRGICA

Pruebas Destructivas y No Destructivas Docente: Dr. Miguel Pérez Labra REPORTE: PRÁCTICA ENSAYO DE TRACCIÓN

INTEGRANTES: GUTIÉRREZ CORTÉS ADOLFO PELÁEZ BRAVO DANIELA RODRÍGUEZ RODRÍGUEZ ALEXIS ANTONIO

SEMESTRE: CUARTO GRUPO: 1 TURNO: MATUTINO

Contenido Introducción ........................................................................................................................................ 1 Objetivo General ................................................................................................................................ 8 Objetivos Específicos ....................................................................................................................... 8 Materiales ........................................................................................................................................... 9 Equipos ............................................................................................................................................... 9 Procedimiento .................................................................................................................................. 10 Resultados y discusión ................................................................................................................... 12 Cuestionario ..................................................................................................................................... 17 Conclusiones .................................................................................................................................... 18 Anexos .............................................................................................................................................. 19 Referencias......................................................................................................................................... 34

Introducción La prueba o ensayo de tensión es utilizado para determinar varias propiedades de los materiales, normalmente se deforma una probeta hasta su rotura . En dicha prueba se mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Por lo general, la rapidez de deformación en una prueba de tensión es pequeña. Generalmente la sección de la probeta es circular, pero también se utilizan probetas de sección rectangular. Durante el ensayo, la deformación está confinada en la región más estrecha del centro, la cual tiene una sección uniforme a lo largo de su longitud. (R. Askeland & J. Wright, 2016) Con la realización de este ensayo se pretende determinar el límite de fluencia, elongación en el punto de fluencia, carga de rotura, elongación en rotura y reducción de área de acuerdo con lo establecido por la norma ASTM E8. Durante la realización del ensayo se registran la deformación de la probeta y la carga aplicada, siendo dichos datos los empleados para la determinación de los parámetros ya mencionados. Las probetas de ensayo para materiales metálicos se obtienen, generalmente por mecanizado de una muestra del producto objeto de ensayo, o de una muestra moldeada. En el caso de tratarse de productos que tengan una sección constante (perfiles, barras, etc.) o de barras obtenidas por moldeo, se pueden utilizar como probetas las muestras sin mecanizar. Norma ASTM E8 Esta norma se refiere a técnicas de ensayos mecánicos entre ellos los ensayos de tracción. A partir de estos ensayos se pueden determinar las propiedades mecánicas. Se elige la configuración de probeta “hueso de perro” (Fig. 1) (D. Callister & G. Rethwisch, 2016) pág. (210).

1

Figura 1 Dimensiones estándar según la norma ASTM E8

Esfuerzo ingenieril: Carga instantánea aplicada perpendicularmente a la sección transversal de la probeta. (Callister, 2016, pág. 212) 𝐹

𝜎𝑒 =

𝐴𝑜

(1)

Donde: e= Esfuerzo ingenieril (Psi o Pa) F= Carga aplicada (lb o N) Ao= Área original (in2 o mm2) Deformación ingenieril: Se denota como ∆l y es el alargamiento o variación de la longitud en algún instante, como referencia a la longitud original. (Callister, 2016, pág. 212)

𝑒=

𝑙𝑖 −𝑙𝑜 𝑙𝑜

(2)

Donde: e= Deformación ingenieril (in o mm) li= Longitud instantánea (in o mm) lo= Longitud original (in o mm) Área instantánea: Si no ocurre cambio de volumen durante la deformación. (Callister, 2016, pág. 228)

𝐴𝑖 =

𝐴𝑜 𝑙𝑜 𝑙𝑖 2

(3)

Donde: Ai= Área instantánea (in2 o mm2) Ao= Área original (in2 o mm2) lo= Longitud original (in o mm) li= Longitud instantánea (in o mm) Esfuerzo real: Carga dividida por el área de la sección transversal instantánea sobre la que se está produciendo la deformación. (Callister, 2016, pág. 227)

𝜎𝜖 =

𝐹 𝐴𝑖

(4)

Donde: ϵ= Esfuerzo real (psi o Pa) F= Carga aplicada (lb o N) Ai= Área instantánea (in2 o mm2) Deformación real:

𝜖=

𝑙𝑖 −𝑙𝑜 𝑙𝑖

(5)

Donde: ϵ= Deformación real (in o mm) li= Longitud original (in o mm) lo= Longitud original (in o mm) Módulo de elasticidad: Es la medida de la tenacidad y rigidez de un material, o su capacidad elástica. (Molera, Jimeno, & Morral, 2008, pág. 836)

𝐸=

𝜎𝑒2 −𝜎𝑒1 𝑒2 −𝑒1

Donde: E: Módulo de elasticidad o módulo de Young (PSI o MPa) 𝜎𝑒2 : Esfuerzo final (PSI o MPa) 𝜎𝑒1 : Esfuerzo inicial (PSI o MPa) 3

(6)

𝑒2 : Deformación final (in/in o m/m) 𝑒1 : Deformación inicial (in/in o m/m) Esfuerzo de tensión: Esfuerzo máximo en la curva esfuerzo-deformación ingenieril. (Askeland & Phulé, 2004, pág. 246) 𝐹𝑚𝑎𝑥

𝑇𝑆 =

𝐴𝑜

(7)

Donde: TS: Esfuerzo de tensión (PSI o MPa) Fmax: Carga máxima (N o lbf) Ao: Área de sección transversal origina (m2 o pulg2)

Coeficiente de endurecimiento por deformación: Se encuentra directamente relacionado con la resistencia del material a la formación del cuello durante el proceso de deformación plástica. (Montes, Cuevas, & Cintas, 2014, pág. 388) 𝑛=

𝑙𝑜𝑔𝑚𝑎𝑥 𝜎𝑒−𝑙𝑜𝑔𝑚𝑖𝑛𝜎𝑒 𝑙𝑜𝑔𝑚𝑎𝑥 𝑒−𝑙𝑜𝑔𝑚𝑖𝑛𝑒

(8)

Coeficiente de resistencia: Esfuerzo real necesario para causar una deformación real unidad. (Montes, Cuevas, & Cintas, 2014, pág. 388) 𝑘 = 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 log(𝑒), 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑒𝑙 log(𝑒)𝑒𝑠 𝑖𝑔𝑢𝑎𝑙 𝑎 0

(9)

Resiliencia: Área contenida bajo la parte elástica de una curva de esfuerzodeformación ingenieril, es la energía elástica que absorbe un material durante la carga y que después se desprende, cuando se quita la carga. (Askeland & Phulé, 2004, pág. 249) 𝑈𝑅 =

𝜎2 𝑦 2𝐸

Donde:

4

(10)

UR: Resiliencia (PSI o PA) E: Modulo de elasticidad (PSI o MPa) 𝜎 2 𝑦: Yield (PSI o MPa)

Tenacidad: Es la energía absorbida por un material antes de fracturarse, a veces se determina como el área bajo la curva esfuerzo-deformación ingenieril. (Askeland & Phulé, 2004, pág. 250) 1

(11)

𝑈𝑇 = 2 𝜎𝑓 𝑒𝑓 Donde: 𝑈𝑇 = módulo de tenacidad (PSI o Pa) 𝜎𝑓 = esfuerzo final (Psi o Pa) 𝑒𝑓 = deformación final (mm/mm o in/in)

Ductilidad: Es una medida del grado de deformación plástica que puede ser soportada hasta la fractura, puede expresarse cuantitativamente como alargamiento relativo porcentual, o bien mediante el porcentaje de reducción de área. El alargamiento relativo porcentual o rotura, %E, es el porcentaje de deformación plástica o rotura. (Callister, 2016, pág. 224) Reducción de área o estricción: %𝑅𝐴 =

𝐴𝑜 −𝐴𝑓 𝐴𝑜

(100)

(12)

Donde: %𝑅𝐴= porcentaje de reducción de área 𝐴𝑜 = área inicial (mm2 o in2) 𝐴𝑓 = área final (mm2 o in2) Elongación: Siempre que una proporción significativa de la deformación plástica se localiza en la zona de estricción, la magnitud de %E dependerá de la longitud inicial. (Callister, 2016, pág. 224)

5

%𝐸 =

𝑙𝑓 −𝑙𝑜 𝑙𝑜

(100)

(13)

Donde: %𝐸= porcentaje de elongación 𝑙𝑓 = longitud final (mm o in) 𝑙𝑜 = longitud inicial (mm o in) Coeficiente de Poisson: Es el cociente de la deformación elástica longitudinal producida por un esfuerzo de tensión o compresión simple, entre la deformación lateral que sucede simultáneamente. (Askeland & Phulé, 2004, pág. 249) 𝑒

𝑣 = − 𝑒𝑥 𝑧

(14)

Despejando ex obtenemos la deformación radial, que es la ecuación que se muestra a continuación: 𝑒𝑥 = −𝑣𝑒𝑧

(15)

Donde: 𝑒𝑥

= deformación en x

𝑣= coeficiente de poisson 𝑒𝑧 =Deformación en z

Resistencia a la cedencia: Se define en relación con intersección de la curva de esfuerzo-deformación con un 0.2% de desplazamiento del cero. Esta es una indicación conveniente del límite de deformación plástica. (Shackelford, 1995, pág. 333) Deformación plástica: Es una deformación permanente y no se recupera cuando se elimina la carga, aunque se recupera un pequeño componente elástico. (Shackelford, 1995, pág. 334) Límite elástico: El valor crítico del esfuerzo necesario para iniciar la deformación plástica. (Askeland & Phulé, 2004, pág. 245) 6

Estricción: Deformación localizada de un material dúctil durante un ensayo de tracción, se produce una región de cuello. (Askeland & Phulé, 2004, pág. 246)]

7

Objetivo General Conocer el procedimiento y realizar el ensayo de tracción uniaxial, para analizar e interpretar la curva esfuerzo-deformación en diferentes materiales metálicos y determinar las propiedades mecánicas en tracción. Objetivos Específicos •

Realizar los cálculos de esfuerzo- deformación real e ingenieril

•

Graficar los datos de esfuerzo- deformación ingenieril.

•

Determinar Módulo de elasticidad (N/mm2)

•

Determinar esfuerzo de cedencia a 0.2% (N/mm2)

•

Determinar Resistencia a la tracción, (N/mm2)

•

Determinar Elongación (%)

•

Determinar Reducción de área (%)

•

Determinar Exponente de endurecimiento por deformación

•

Determinar Modulo de Resiliencia, h) Modulo de Tenacidad

•

Determinar Coeficiente de resistencia

•

De acuerdo con las propiedades mecánicas determinadas Identificar el

material ensayado.

8

Materiales Probeta con dimensiones estándar (Fig. 2)

Figura 2 Probeta rectangular o “hueso de perro” utilizada para ensayos de tracción.

Equipos •

Calibrador vernier electrónico (Fig. 3)

•

Software series IX

•

Máquina INSTRON 8802 (Fig. 4)

•

Ordenador (Fig. 5)

•

Fresador Vertical

•

Torno paralelo horizontal

Figura 3 Vernier Electrónico

Figura 4 Ordenador

9

Figura 5 Máquina INSTRON 8802

Procedimiento

Realizar una probeta “hueso de perro” de acero. La probeta debe de tener el diseño que se muestra en la Figura 2 con las medidas estándar. Medir las dimensiones de la probeta (ancho, longitud, espesor) con el vernier electrónico, esta medida se dará en milímetros. Calcular el área transversal de la probeta inicial. (Fig. 6)

Figura 6 Probeta Inicial.

Encender y calibrar la maquina universal INSTRON 8802. (Fig. 5) Encender el ordenador (Fig. 4) y elegir el tipo de programa y los parámetros de operación para la prueba.

10

Colocar la probeta en las mordazas (Fig. 7), teniendo cuidado para lograr el centrado (la alineación de la probeta y de las mordazas en la máquina.

Figura 7 Mordazas de Máquina INSTRON 8802

Proporcionar al programa las dimensiones iniciales de la probeta y los parámetros de operación restantes (Fig. 8).

Figura 8 Configuración de dimensiones en el ensayo

11

Iniciar la prueba. La curva del material comenzará a formarse en la pantalla. Al concluir el experimento, guardar los resultados obtenidos. Resultados y discusión Medidas de la probeta inicial (Fig. 9)

Figura 9 Probeta hueso de perro con las dimensiones iniciales

En donde se obtuvo: L0 (mm)

50.06

A0 (mm)^2

77.3812

A partir de los datos se realizan los cálculos con el primer dato obtenido por la máquina INSTRON 8802. Calculando el esfuerzo ingenieril, sustituyendo la ecuación (1) 𝜎𝑒 =

11.683 𝑁 77.3812 𝑚𝑚 2

Obteniendo un resultado de 0.1509 Pa Calculando la deformación ingenieril, sustituyendo la ecuación (2) 𝑒=

50.060286 − 50.06 = 5.71 × 10−6 𝑚𝑚 50.06

Calculando Área instantánea, sustituyendo la ecuación (3)

12

𝐴𝑖 =

(77.3812)(50.06) = 77.380757𝑚𝑚 2 50.060286

Calculando esfuerzo real, sustituyendo la ecuación (4) 𝜎𝜖 =

11.683 = 0.1509806 𝑃𝑎 77.380757

Calculando deformación real, sustituyendo la ecuación (5) 𝜖=

50.060286 − 50.06 = 5.7131 × 10−6 𝑚𝑚 50.060286

Obteniendo esfuerzo de cedencia a partir de la gráfica Esfuerzo- Deformación a partir del 0.2%. (Fig. 10)

Figura 10 Gráfica Esfuerzo-Deformación

Donde obtenemos que el esfuerzo de cedencia es igual a 360.32322 Pa

13

Calculando Módulo de elasticidad, sustituyendo la ecuación (6) 359.67 𝑃𝑎 − 0.15097982 𝑃𝑎 = 56115.82 𝑃𝑎 0.006412445 − 0.000005713

𝐸=

Calculando esfuerzo de tensión, sustituyendo la ecuación (7) 𝑇𝑆 =

40770.92 77.3812

Calculando coeficiente de endurecimiento por deformación, sustituyendo la ecuación (8) 𝑛=

𝑙𝑜𝑔526.883998 − 𝑙𝑜𝑔361.365474 = 0.16 𝑙𝑜𝑔0.151917539 − 𝑙𝑜𝑔0.0144005134

Calculando coeficiente de resistencia a partir del valor la gráfica (Fig. 11), sustituyendo la ecuación (9)

Coeficiente de Endurecimiento por Deformación 2.75

2.7

Log(σ)

2.65

2.6

2.55

2.5

y = -0.169x + 2.8663

2.45 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3

ⅇ)

Log(

Figura 11 Coeficiente de Endurecimiento por Deformación donde se es posible encontrar el valor de K.

log 𝑘 = 2.8663 𝑘= 735.0214 14

Calculando resiliencia, sustituyendo la ecuación (10) 𝑈𝑅 =

360.323222 2(56115.82)

𝑈𝑅 = 1.156829

Calculando tenacidad, sustituyendo la ecuación (11) 𝑈𝑇 =

1 (404.662114 ∗ 0.254331402) 2

𝑈𝑇 = 51.4591

Calculando reducción de área, sustituyendo la ecuación (12) %𝑅𝐴 =

77.3812 − 61.6911925 (100) 77.3812

𝑅𝐴 = 20.2762%

Calculando elongación, sustituyendo la ecuación (13) %𝐸 =

62.79183−50.06 50.06

(100)

𝐸 = 25.43 %

Figura 12 Grafica de Esfuerzo- Deformación (real e ingenieril) con grafica de Coeficiente de endurecimiento por deformación (Fig. 11)

15

Figura 13 Grafica de los datos obtenidos por la máquina INSTRON 8802

16

Cuestionario

1.

¿Existe diferencia notable entre las curvas de esfuerzo-deformación para las

probetas utilizadas? Si cambian notablemente debido a las diferentes tipos de aleaciones y la variedad de espesores de la probeta que cada equipo utilizó. 2.

¿Es posible apreciar una misma forma de fractura en los materiales? No es

posible debido a que en las aleaciones existen inclusiones que afectan las propiedades mecánicas de los materiales, lo cual origina distintos dos tipos de fractura que son dúctil y frágil. 3.

¿A qué material corresponden las propiedades mecánicas determinadas?

Debido a la modificación de los datos originales, los resultados obtenidos no son similares a los presentados en literaturas. 4.

¿De qué manera influye el maquinado de la probeta? si la probeta tiene un

buen maquinado garantiza mejores resultados, en cambio si la probeta no fue adecuadamente maquinada puede originar alteración en los resultados debido a que disminuye sus propiedades mecánicas y genera lugares propensos a la ruptura. 5.

¿Cuál es la presión aplicada en la probeta por las mordazas de la maquina?

La presión aplicada es de 4500 newton. 6.

¿De qué manera influyen las variables indicadas en el programa en el

desarrollo del ensayo? Al no realizar los estándares adecuados para la probeta, los resultados se verán afectados, un ejemplo claro seria al cambiar la velocidad que se aplica sobre las mordazas. 7.

¿A qué se deben los resultados negativos obtenidos en el ensayo? Debido a

que al momento de empezar a sujetar la probeta con las mordazas de la máquina universal INSTRON 8802, está comienza a registrar los datos entre ellos las cargas negativas.

17

Conclusiones

Se realizó un ensayo para el acero 8620 para determinar las propiedades mecánicas de la probeta y a partir de ellas deducir que material es, pero debido a los cambios realizados en los datos obtenidos por la máquina universal INSTRON 8802 se alteraron los cálculos de las propiedades mecánicas y como consecuencia es no poder identificar el tipo de material a partir de la comparación de resultados reales.

18

Anexos

Carga N

Longitud

Esfuerzo

Deformación

Área

Esfuerzo

Deformación

log (

log (

ingenieril (σ)

ingenieril (ⅇ)

instantánea

real

real

esfuerzo

deformación

ingenieril)

ingenieril)

0

50.06

0

0

77.3812

0

0

11.683

50.060286

0.150979825

5.71314E-06

77.3807579

0.150980687

5.71311E-06

730.962

50.060706

9.446247926

1.41031E-05

77.3801087

9.446381147

1.41029E-05

1384.646

50.060778

17.89382951

1.55414E-05

77.3799974

17.8941076

1.55411E-05

2161.562

50.060831

27.93394261

1.66001E-05

77.3799155

27.93440632

1.65998E-05

2827.078

50.061976

36.53442955

3.94726E-05

77.3781457

36.53587166

3.94711E-05

3565.013

50.062146

46.0707898

4.28686E-05

77.3778829

46.07276479

4.28667E-05

4256.248

50.068172

55.0036443

0.000163244

77.36857

55.01262332

0.000163217

4896.998

50.072329

63.28407934

0.000246284

77.3621469

63.29966522

0.000246224

5591.035

50.081395

72.25314417

0.000427387

77.3481424

72.28402424

0.000427205

6229.52

50.091829

80.50430854

0.000635817

77.332031

80.55549455

0.000635413
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