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LABORATORIO METALURGIA MECÁNICA

PRÁCTICA Nº 1: EL ENSAYO DE TRACCIÓN

PRESENTADO POR: CARLOS ANDRÉS GALÁN ELKIN JAVIER ESPINOSA GARCIA GERSON LIZCANO ALBERT VALLEN

Informe presentado como requisito parcial en: LABORATORIO METALURGIA MECÁNICA

PRESENTADO A: AFRANIO A. CARDONA Ing. Metalúrgico UIS

GRUPO: K1

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOQUÍMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES LABORATORIO METALURGIA MECÁNICA BUCARAMANGA

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INTRODUCCION

Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos para medir su comportamiento en distintas situaciones. El ensayo de tracción en ingeniería es ampliamente utilizado, pues suministra información sobre la resistencia de los materiales utilizados en el diseño y también para verificación de especificaciones de aceptación. Todos los materiales metálicos tienen una combinación de comportamiento elástico y plástico en mayor o menor proporción. El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción, en donde se coloca una probeta en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil.

OBJETIVOS • •

Comprender la importancia que tiene el ensayo de tracción en el diseño de materiales. Comprender y diferenciar las propiedades mecánicas que se pueden conocer gracias al ensayo de tracción y cuantificarlas.

EQUIPO •

Tensómetro Monsanto W de tipo horizontal

MATERIALES Acero de bajo carbono, SAE- AISI 1010 Elemento

Carbono

Manganeso

P máx

S máx

Si máx

%

0.08-0.13

0.30-0.60

0.040

0.050

0.10

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Tabla 1. Composición acero SAE-AISI 1010 Resultados y análisis de resultados Para el análisis de una muestra dúctil se utilizado una probeta de acero AISI -SAE 1010, en el caso de la muestra frágil, la probeta se fracturo dentro de las mordazas alterando los resultados, esto imposibilita su análisis en el presente informe.

1. Calcule los valores de esfuerzo deformación unitaria, valores ingenieriles o nominales. Construya el grafico de esfuerzo y la deformación unitaria (curva ingenieril). Ecuaciones matemáticas: •

/

Esfuerzo unitario: Ingenieriles o convencionales:

Esfuerzo real: 1 / • Deformación unitaria: Ingenieriles o convencional:

∆

Deformación Real: ln 1 • Logaritmo del Esfuerzo unitario: Ingenieriles o nominales: ln Reales:ln • Logaritmo de la Deformación unitaria: Ingenieriles o nominales: ln Reales:ln • Ley de Hooke ∗ • Limite elástico convencional ε= 0.002 ∆ • Módulo de Poisson (µ) ∆ •

Ductilidad

∆

!

" ∗ 100

( %&'

• Resiliencia $ ) • Tenacidad T= 0.5 ( * +) * Deformación final. • •

Resistencia ultima a la tracción: ,- Resistencia a la fractura (σf); σ5

ACERO SAE- AISI 1010 L0=92mm Lf=120mm Df=9.3mm

./á1 .5

23

23

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D0=12.7mm A0=126.676mm2 Af=67.92

Figura 8. Esfuerzo-deformación convencional 2. Calcule los valores reales del esfuerzo y la deformación unitaria y construya la curva de flujo 1

6

ln 1

Para el primer dato, los cálculos son los siguientes: 7

0.20218431(0.00000238+1)=0.20218479 [Mpa]

6 =Ln(1+0.00000238)=0.00000238

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Figura 8: esfuerzo –deformación real 3. calcule los valores logarítmicos del esfuerzo y la deformación unitaria y construya el grafico logarítmico esfuerzo Vs logaritmo de la deformación unitaria, valores reales.

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Figura 8. Logaritmo de esfuerzo-logaritmo de la deformacion y=mx+b y=0.0128x -1,598579 n=0.0128; pendiente Ecuación de flujo: Dada la ecuación de flujo:

σ = k .ε n

K= coeficiente de resistencia. n= exponente de endurecimiento. Aplicando logaritmo en ambos miembros de la ecuación: Ecuación 1: Ln = LnK + nLn 8

9

:;

n = m; el exponente de endurecimiento es n, y según la ecuación 1, el valor de la pendiente en es el valor de n. b = log k entonces: Log k= -1,598579; K=0.2022

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4. basándose en los gráficos anteriores calcule para cada material: Modulo del Young: Limite proporcional: Limite elástico: Limite de fluencia: Resistencia ultima:

-modulo del Young Es la pendiente de la cuerva esfuerzo-deformación unitaria ingenieril en la zona elástica: Teniendo un valor de la deformación miramos el valor del esfuerzo, si repetimos este ejercicio en dos puntos podemos hallar la pendiente de la recta en la zona elástica: -Límite proporcional p Último valor de curva que es lineal y para el cual el valor del modulo de Young es constante, por esa razón ese punto hace parte todavía de la zona elástica este es 427 Mpa aproximadamente, Límite elástico o de fluencia: El valor aproximado del límite elástico convencional según la grafica 1, de esfuerzodeformación convencional, es de 434 Mpa -Limite elástico convencional o.2%, 0.2% El valor aproximado del limite elástico convencional según la grafica 1, de esfuerzodeformación convencional, es de 430 Mpa. -resistencia ultima a la tracción: Es la relación entre la carga máxima y el área inicial, coincide con el inicio de la estricción. Carga máxima: Pmáx=73028.023 N Área inicial de la probeta: Ao=126.676 mm2 ./á1 73028.023 N ,- 23 126.676 mm2 ,-

EFG. HIHEJKL

Resistencia a la fractura Es la carga en el punto de fractura o de rotura divida por el área inicial de la pieza: Carga en el punto de fractura: P=58189.201 N Área inicial A0= 126.676mm2

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,5

.5

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MN.ONP. QO R

O S.STSUU

=459,3546

• Tenacidad Es la energía adsorbida por el cuerpo durante su deformación plástica hasta la rotura. σVW : Límite elástico o de fluencia σ- :Resistencia ultima a la tracción eZ = deformación final T

[ \. E ]σVW σ- ^ ∗ _5 0.5 434 576.4945 ∗ 0.329748174 T

166.6044 Mpa

Resiliencia Es la energía almacenada en el cuerpo durante durante su deformación hasta el limite elástico, es el área bajo la cuerva en la zona elástica. σVW : Límite elástico o de fluencia E: modulo de elasticidad g



σhVW hi



434 h 2xE

E: es el modulo elástico, es la pendiente en la zona elástica. 5. aplique el criterio de inestabilidad plástica, o construcción considere y determine el inicio de la estricción. La estricción se genera gracias al deslizamiento de los planos del material favorecidos por el esfuerzo cortante critico, se produce una deformación plástica permanente que se ve macroscópicamente como un encuellamiento o zona de estricción del material cuando este es dúctil, ver la figura 7. Los planos se deslizan de un lado a otro del material provocando el encuellamiento de la figura, posteriormente se nuclean micro grietas por esfuerzos tri-axiales de iguales magnitudes (esfuerzo cortante cero) produciendo la ruptura.

Análisis metalográfico

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Figura 1. Micrografía de acero SAE/AISI 1010 a 50x 100x

Figura 2. Micrografía de acero SAE/AISI 1010 a

Figura 3. Micrografía del acero SAE/AISI 1010 a 200x

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Figura 4. Micrografía del acero SAE/AISI 1010 a 500x

Analizando las anteriores micrografías del acero SAE/AISI 1010, se puede evidenciar que es una acero hipoeutectoide, el cual tiene un bajo porcentaje de carbono equivalente a 0.10%, se ve claramente la formación de ferrita (α) y perilita (α + Fe3C) tal y como está señalada con las flechas en la figura 4 Sabemos a través de los cursos de metalografía y de tratamientos térmicos, que al ser en este acero la ferrita su microconstituyente mas predominante (alrededor del 90%), sus propiedades mecánicas van a ser bajas en lo referente a su dureza, ya que la naturaleza de la ferrita es blanda y dúctil. Al ser este acero SAE/AISI 1010 un acero dúctil, por las explicaciones anteriores, se pudo llegar a la conclusión que demuestra esto a través de la práctica de tracción realizada, la cual nos indicaba que era un material con cualidades de ductilidad, ya que al ver su grafica era evidente que el material había sufrido un deformación elástica y una gran deformación plástica antes de la rotura. Por su comportamiento plástico antes a realizarse la fractura, nos mostraba como después de la deformación elástica el material se deformaba plásticamente hasta un esfuerzo máximo (Su), lugar donde se formaba el cuello o la estricción, este fenómeno se observa en la figura 7 para luego seguir avanzando su deformación hasta un esfuerzo de rotura. Caso contrario donde hubiera sido un acero bastante duro, en la la grafica 5 se observa la diferencia, no se menciona la probeta frágil porque esta rompió dentro de la mordaza, y los datos no son confiables.

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Grafica 5. comparativa Esfuerzo v. deformación para mariales dúctiles y frágiles.

Figura 6. Esfuerzo vs. Deformación experimental, maquina MTS, edificio hidráulica.

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Figura 7.comparacion Foto tomada en el laboratorio durante la práctica, parte izquierda, con una figura de encuellamiento, tomada de registro bibliográfico, parte derecha.

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Preguntas de la guía de laboratorio 1) explique claramente cuál es la diferencia entre el límite de proporcionalidad y limite elástico.

Grafica Esfuerzo vs. Deformación donde: E = limite elástico P = limite de proporcionalidad mirando detenidamente la grafica y teniendo los conceptos claros de que es el límite elástico y limite de proporcionalidad, se puede concluir que estas se diferencian en: -P aun está en la parte elástica, mientras que E esta en el punto máximo de elasticidad lugar donde ya termina la deformación elástica, para pasar a ser una deformación plástica

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-en P el esfuerzo y la deformación aumentarán constantemente en forma lineal, pero después de P, hay una curvatura indicando que pronto va a dejar de ser una deformación elástica, para ser una deformación plástica. 2) Si al efectuar un ensayo de tracción se carga el material hasta pasar ligeramente un punto de cedencia, explique lo siguiente: a) Si se descarga lentamente y se toman lecturas de carga y deformación, que tipo de curva se obtendrá?

Después del punto de cedencia, el material va a tener una deformación plástica, es decir que va tener unas curvas como están estipuladas cuando un metal sufre una deformación plástica, esta curva va a subir hasta alcanzar un esfuerzo máximo donde se va a empezar a formar el cuello de botella hasta llegar a un esfuerzo de fractura.

b) Que indicara la distancia entre el origen y el punto donde la curva de descarga cruza el eje horizontal? Al pasar el punto de cedencia, el material se empieza a deformar plásticamente, al retirar la carga, esto no recupera su longitud inicial, sufriendo una deformación permanente, al retirar la carga, este tiende a recuperar cierta deformación, que es la elástica, al llegar a la carga cero, cortara el eje horizontal en un valor de deformación, la pendiente en la zona de recuperación elástica es la misma a la deformación elástica

c) Si se deja reposar el material más de 72 horas y vuelve a cargar, que sucede con sus características elásticas? El material se asimila como si fuera sido trabajado en frio, al ocurrir esto obtendremos un material más duro, es decir después que el material sobre paso su punto de cedencia y le fue quitada la carga, este vuelve a recobrar sus propiedades elástica, cuando se pasaron las 72 y se vuelve a cargar se va a ser invidente que este material al haber sufrido prácticamente un trabajo en frio, se deforme elástica y plásticamente pero a un esfuerzo mayor al anterior que fue aplicado 72 horas atrás, esto es debido a que el material se vuelve más duro, llevando a que se necesite mayor esfuerzo para deformarlo, tanto elástica como plásticamente.

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3. Como afecta el contenido de carbono en el acero sus siguientes propiedades? •

A. Esfuerzo de cedencia (esfuerzo de fluencia): esfuerzo que divide los comportamientos elásticos y plásticos del material. El valor crítico del esfuerzo necesario para iniciar la deformación plástica se llama límite elástico del material. En los materiales metálicos es el esfuerzo necesario para iniciar el movimiento de las dislocaciones. El límite elástico puede definirse como el esfuerzo mínimo al que ocurre la primera deformación permanente

Las propiedades mecánicas de una aleación dependen de las características individuales de cada una de las fases que la componen y de la forma en que estas últimas estén ordenadas para formar la estructura. Sabemos que la ferrita es relativamente suave, con baja resistencia tensil, en tanto que la cementita es dura, con muy baja resistencia tensil. Podremos deducir pues, que la combinación de estas dos fases en la forma eutectoide (perlita), producirá una aleación de resistencia tensil mucho mayor que la de cualquiera de las fases individuales. Como la cantidad de perlita aumenta con un incremento en el contenido de carbono para aceros hipoeutectoides, la resistencia y la dureza

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Brinell también aumentará hasta la composición eutectoide. La ductilidad, expresada por el porcentaje de elongación y reducción de área, y la resistencia al impacto disminuyen al aumentar el contenido de carbono.

Figura 9. Efectos del contenido de carbono sobre las propiedades mecánica de un acero

b. ULTIMATE TENSILE STRENGTH.UTS: MAXIMA RESISTENCIA A LA TRACCION: resistencia a la tracción): esfuerzo obtenido con la máxima fuerza aplicada Es el esfuerzo máximo, basado en la sección transversal original, que puede resistir un material. Es el esfuerzo en el cual comienza la estricción en los materiales dúctiles

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Figura 10. C. DUCTILIDAD: mide la cantidad de deformación que puede resistir un material sin romperse.El % de elongación describe la deformación plástica permanente antes de la falla.La reducción porcentual del área describe la cantidad de adelgazamiento que sufre la muestra durante el ensayo. El rolado y el estirado en frío tienen el mismo efecto sobre las propiedades mecánicas. El labrado en frío da por resultado un gran incremento en la resistencia de fluencia, acrecienta la resistencia última y la dureza, y disminuya la ductilidad

D Módulo de elasticidad o módulo de Young (E): es el valor de la pendiente de la parte recta del diagrama esfuerzo v/s deformación unitaria. Es una medida de la rigidez de un material Tiene una estrecha relación con la energía de enlace atómico, por lo tanto es mayor para materiales de punto de fusión alto.

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Un alto módulo de elasticidad indica que se necesitan grandes fuerzas para separar los átomos y producir la deformación elástica del metal

4 Cual es el efecto de la temperatura en las anteriores propiedades?

c. Influencia del contenido de carbono sobre el comportamiento dúctil-frágil de un acero de baja aleación

figura 11 d. Módulo de elasticidad (módulo de Young) : El módulo de elasticidad decrece al incrementarse la temperatura, ya que la expansión térmica reduce el valor de (F: fuerza aplicada al material; a: área transversal del material), haciendo disminuir por tanto el módulo de elasticidad. Observaciones: La probeta de Acero O1 (ASSAB DF-2); Acero fino, para herramientas, se fracturo dentro de las mordazas alterando los resultados, esto imposibilita su análisis en el presente informe, los datos arrojados por la maquina no son confiables, pero se observo en el laboratorio que no presento encuellamiento o estricción, mostrando un comportamiento frágil.

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CONCLUSIONES •

La probeta de acero SAE-AISI 1010, presento un comportamiento dúctil, este comportamiento se comprobó por medio de cálculos y análisis basados en los datos obtenidos experimentalmente, presentando una deformación grande.

•

Se comprobó el comportamiento dúctil de la probeta, SAE-AISI 1010, por medio de un análisis metalográfico, se comprobó una gran cantidad de ferrita acompañada de perlita, esta microestructura confirma el comportamiento dúctil observado en el ensayo de tracción.

•

la probeta de Acero O1 (ASSAB DF-2) rompió dentro de las mordazas, seguramente ocurrió porque las mordazas causaron una entalla y creo una zona crítica de esfuerzo respecto al resto de la pieza.

•

La ruptura de la probeta se da luego de una deformación elástica y una gran deformación plástica.

•

Se comprobó la formación de la zona de estricción, observados a simple vista en el laboratorio, esta estricción forma un estado triaxial de esfuerzo, disminuyendo la resistencia de la pieza causando la rotura.

•

En la zona de estricción, la disminución del área transversal hace que tenga un mayor esfuerzo, debido a que el valor del área instantánea esta en el denominador de la expresión para calcular el valor del esfuerzo.

•

las graficas de esfuerzo-deformación y esfuerzo-deformación real muestran un comportamiento igual hasta el punto de carga máxima, luego el valor real del esfuerzo sigue aumentando para cada deformación, mientras que el esfuerzo convencional disminuye el valor del esfuerzo para cada deformación.

•

Se comprobó el comportamiento elástico y plástico, por medio de la construcción de las graficas esfuerzo-deformación real y convencional.

BIBLIOGRAFÍA 1. APRAIZ J, B. Tratamientos Térmicos de los Aceros. 6ª Edición. Editorial Dossat. Madrid 1968.

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2. MANUAL DE LABORATORIO DE METALÚRGIA MECANICA; Serrano, Rafael y Quintero, Gilberto; UIS; 1986 3. METALÚRGIA MECANICA; Dieter, E. George; Editorial Aguilar; 1967 Disponible en Internet (último acceso 17/01/2012, 1:48 p.m): 4.http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3201/1/54678-1.pdf 5.

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