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Tracción, N. A. de Sánchez y F. Correa

Facultad de Ingeniería Departamento de Energética y Mecánica

PRACTICA DE LABORATORIO Prueba de Tracción Asignaturas: Estructura y Propiedades de los Materiales, Materiales de Ingeniería y Procesos y Materiales. Introducción En muchas de las tecnologías emergentes de la actualidad, se hace hincapié en las propiedades mecánicas de los materiales que se usan. Por ejemplo, las aleaciones de aluminio o los materiales compuestos reforzados con carbono, usados para componentes de aviones, deben ser ligeros, resistentes y deben de soportar cargas cíclicas durante un periodo largo y predecible. Los aceros empleados en la construcción de estructuras, como edificios y puentes, deben tener la resistencia adecuada, como para que se puedan construir sin poner en peligro la seguridad. Los plásticos para la fabricación de tubos, válvulas, pisos, etc., también deben tener una resistencia mecánica adecuada. En tales situaciones es necesario conocer las características del material y diseñar la pieza de tal manera que cualquier deformación resultante no sea excesiva y no produzca la rotura. El comportamiento mecánico de un material refleja la relación entre la fuerza aplicada y la respuesta del material (o sea, su deformación). Algunas de las propiedades mecánicas más importantes son la resistencia, la dureza, la ductilidad y la rigidez. La propiedades mecánicas de los materiales se determinan realizando ensayos cuidadosos de laboratorios que reproducen las condiciones de servicio hasta donde sea posible. Los factores que deben considerarse son la naturaleza de la carga aplicada, su duración, así como las condiciones del medio. En este caso el ingeniero recurre a una prueba de tracción que le permita determinar cuáles son las condiciones óptimas de trabajo y conocer cuál es la relación entre los esfuerzos que se aplican y las deformaciones que se producen y cual es la máxima deformación que admite el material sin llegar a romperse.

Objetivos: • • •

Conocer y aprender el proceso de la prueba de tracción. Determinar la resistencia a tracción, modulo de elasticidad y esfuerzo de fluencia de metales y polímeros Comprender el significado de los resultados y su relación con el trabajo en Ingeniería.

Marco teórico Ensayo de tracción La prueba de tracción es uno de los ensayos más útiles que se emplean para determinar las propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería. Los detalles de procedimiento de la prueba varían de acuerdo con los diferentes tipos de material; para

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el caso de los materiales metálicos se basa en someter probetas, estandarizadas bajo la norma ASTM, a un esfuerzo axial de tracción creciente, como se observa en la figura 1, hasta cuando se produce la rotura de la probeta. Este ensayo requiere la utilización de una máquina de ensayos denominada Maquina universal de ensayos, la cual mide la tensión aplicada a la probeta y la elongación de ésta gracias a un extensometro. De este ensayo se obtiene la curva de esfuerzo-deformación, la cual permite determinar las siguientes propiedades mecánicas:

Figura 1. Esquema ensayo de tracción Fuente: Callister, William D. Jr. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed. Reverté.

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El módulo de elasticidad (E) El esfuerzo de fluencia a la cual comienza a comportarse de forma plástica (σy) El esfuerzo máximo que resiste antes de romperse (σUTS) El esfuerzo de ruptura (σr ) La deformación máxima (∆L/L)

Curva esfuerzo vs deformación Como se dijo anteriormente esta curva permite observar el comportamiento mecánico y determinar las propiedades mecánicas de los materiales. En la figura 2, se muestra en forma cualitativa el comportamiento de las curvas de esfuerzo - deformación de los distintos materiales usados en la industria.

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Figura 2. Curvas de esfuerzo-deformación para distintos materiales Fuente: Askeland, Donald. Ciencia e ingeniería de los materiales. Ed. Thomson, Cuarta ed. 2004

En la figura 3, se puede apreciar una curva esfuerzo – deformación representativa de un material metálico, donde: E= Limite elástico F= Punto de fluencia o cedencia G= carga máxima H= punto de ruptura

Figura 3. Curva esfuerzo vs deformación de un material metálico Fuente: Manual de laboratorio Instituto Politécnico Nacional. Ing. Fernando Vergara. México 2008.

Seccion “OE”

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Es la línea recta que indica el alargamiento proporcional a la carga aplicada. Entre estos limites la pieza recuperara su tamaño y forma original cuando se retire la carga, por esto la zona se llama elástica. Seccion “EF” Muestra un alargamiento grande en comparación a la carga aplicada, la zona se le denomina dúctil. En el punto F llamado fluencia o cedencia nos indica que cargas adicionales causaran deformaciones mayores hasta que llegue al punto máximo de carga que es el G. Seccion “FG” Representa la zona plástica. Al rebasar el punto G que representa la carga máxima o esfuerzo máximo se presenta la estricción (cuello de botella). La probeta sufre mayor deformación aunque la carga decrece automáticamente debido a que no se encuentra resistencia, la deformación es heterogénea hasta llegar a la ruptura H. Deformación elástica y plástica Cuando se aplica una fuerza a una probeta los enlaces entre los átomos se estiran y el material se alarga. Cuando se retira la fuerza, los enlaces regresan a su longitud y la probeta recobra su tamaño normal, esta deformación de denomina deformación elástica. Si incrementamos la fuerza, el material se comporta de manera plástica, es decir, se producen dislocaciones y ocurre un deslizamiento por lo tanto al retirar la fuerza, el material ya no recobra sus dimensiones, y su forma original; esto se denomina deformación plástica permanente. Modulo de elasticidad o modulo de Young El modulo de elasticidad o modulo de Young (E), es la pendiente de la curva esfuerzodeformación unitaria en la región elástica (ver figura 4a). Esta relación es la ley de Hooke: E=

σ , (PSI o MPa) ε

El modulo tiene una relación estrecha con la energía de enlace atómico, esto quiere decir que entre mas pronunciada sea la pendiente en la curva esfuerzo-deformación, indica que se requiere grandes fuerzas para separar los átomos y hacer que el material se estire en forma elástica; por consiguiente el modulo de elasticidad es la medida de rigidez de un componente, en la figura 4b, se compara el comportamiento elástico del acero con el aluminio, si se aplica un esfuerzo de 30.000 psi a cada material, el acero se deforma elásticamente 0.001 pulg/pulg, mientras que el aluminio se deforma 0.003 pulg/pulg.

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a) b) Figura 4. a) Determinación del modulo de elasticidad. b) Comportamiento elástico del acero y el aluminio a un mismo esfuerzo Fuente: Askeland, Donald. Ciencia e ingeniería de los materiales. Ed. Thomson, Cuarta ed. 2004

Esfuerzo de fluencia y limite elástico La mayoría de las estructuras se diseñan de tal manera que solamente ocurra deformación elástica cuando sean sometidas a tensiones. Por consiguiente es deseable conocer el nivel de tensiones para el cual empieza la deformación plástica, o sea, cuando ocurre el fenómeno de la fluencia. Para los metales que experimentan la transición elastoplástica de forma gradual, el punto de fluencia puede determinarse como la desviación inicial de la linealidad de la curva esfuerzo – deformación, este punto se denomina límite de proporcionalidad. En estos casos, la posición de este punto no puede ser determinada con precisión. Por este motivo se ha establecido un método llamado offset que consiste en trazar una línea recta paralela a la línea elástica de la curva esfuerzo–deformación, iniciándose en 0.2 % ó 0.002 del eje que nos indica la deformación, la tensión correspondiente a la intersección de esta línea con la curva esfuerzo – deformación cuando ésta se curva se denomina limite elástico como se observa en la figura 5a. En algunos aceros y otros materiales la transición elastoplástica esta muy bien definida y ocurre de forma abrupta y se denomina fenómeno de discontinuidad del punto de fluencia; en este caso se presentan dos límites de fluencia uno superior y otro inferior como se puede observar en la figura 5b. En los metales que ocurre este fenómeno, el limite elástico se toma como el promedio de la tensión asociada con el limite de fluencia inferior, ya que esta bien definido y es poco sensible al procedimiento seguido del ensayo; por consiguiente no es necesario utilizar el método offset.

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Figura 5. a) Esfuerzo de fluencia por el método de offset. b) fenómeno de discontinuidad del punto de fluencia Fuente: Callister, William D. Jr. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed. Reverté.

Esfuerzo máximo o resistencia a la tracción Después de iniciarse la deformación plástica, la tensión necesaria para continuar la deformación en los metales aumenta hasta un punto máximo de la curva denominado esfuerzo máximo (σmax) y después disminuye hasta que finalmente se produce la fractura; sin embargo cuando se alcanza la tensión máxima, se empieza a formar una disminución localizada en el área de la sección transversal en algún punto de la probeta, lo cual se denomina estricción o cuello. La Probeta Para la fabricación de la probeta se realiza un procedimiento de torneado a partir de una pieza cilíndrica de 12 mm de diámetro de acero siguiendo la norma ASTM-E8M, en la figura 6 se observa el plano de la probeta terminada. La probeta también puede ser plana y rectangular según la norma.

226 120 25.4 D 12.7 D Figura 6. Plano de la probeta según la norma ASTM-E8M dimensiones en mm Las fracturas

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El tipo de fractura en un ensayo de tracción presenta dos comportamientos, dúctil y frágil. La fractura dúctil es aquella que presenta formación de cuello en un punto de la probeta cuando ha superado el esfuerzo máximo y se clasifica según su forma y textura las cuales pueden ser de taza y cono, parcial de taza y cono o de estrella. La fractura frágil es aquella que no presenta ninguna de las características anteriores y por lo general siempre su falla es plana, como se puede observar en la figura 7.

Figura 7. Tipos de fractura de un ensayo de tracción Fuente: Callister, William D. Jr. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed. Reverté

Equipos a utilizar: El laboratorio de mecánica de sólidos de la UAO, cuenta con dos equipos que reúnen las características necesarias para la realización del ensayo de tracción tanto en materiales metálicos, como en polímetros, estos equipos son:

Máquina universal de ensayos UTS.

Máquina Universal Instron modelo 3366

Carga Máx.: 200 KN (20 Ton) Recorrido del cabezal: 600 mm Vel. del cabezal: 0.001 – 450 [mm/min]

Celda de Carga: 10 KN Recorrido del cabezal 1193 mm Vel. del Bastidor: 0.005 – 500 mm/min

Materiales a utilizar: 7

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Probetas estandarizadas de: • Acero 1020 o Acero estructural • Fundición gris • Polietileno de baja y alta densidad Actividades a realizar •

Medir el ancho y espesor de la probeta con un calibrador en diferentes puntos a lo largo de su sección.

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Hacer una marca en la probeta para medir posteriormente el alargamiento máximo experimentado.

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Colocar la probeta en la máquina de ensayo y sujetarla con las mordazas.

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Seleccionar la velocidad de ensayo de acuerdo con la norma ASTM. Ha de ser siempre aquella que produzca rotura de la probeta en un tiempo comprendido entre 0.5 y 5 minutos.

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Obtener las gráficas esfuerzo versus deformación, de cada ensayo, observar la región elástica y plástica y determinar el esfuerzo de fluencia, el módulo de elasticidad y la resistencia a la tensión (esfuerzo último) del material probado.

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Analizar las fracturas de las probetas y clasificar el material según el tipo de falla en frágil o dúctil. Justifique su respuesta.

El informe Debe ser escrito y debe contener lo siguiente: • • •

Esquema de la probeta en sus medidas Tabulación de los datos. Las gráficas de esfuerzo versus deformación (σ – ε) usando escalas lineales apropiadas y en donde los datos aparezcan como puntos identificables. La curva trazada debe ajustarse a la posición intermedia entre los puntos.

Los siguientes valores obtenidos de las gráficas • • • • • •

El límite de elasticidad lineal σp Limite de fluencia σy Esfuerzo último σu Utilice el método de 0.2% de deformación unitaria para encontrar el límite de fluencia si éste no ha quedado claramente definido en la gráfica. Identifique las zonas características del diagrama para los materiales utilizados. Calcule el valor del módulo de elasticidad E.

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Compare los resultados obtenidos con datos que aparecen en libros o catálogos para los materiales utilizados. Compare los resultados obtenidos para los polímeros con el estándar. Describa y analice el aspecto de la fractura. Concluya si cada material utilizado se puede clasificar como dúctil o frágil. De ejemplos de equipos o herramientas donde alguna de sus partes trabaje sometida a esfuerzos de tracción o compresión.

Referencias [1] Askeland, D. R., Phulé P. P. (2003) La ciencias e Ingeniería de los materiales, México, D.F. Thomson, Cuarta edición. [2] Callister, William D. Jr. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed. Reverté. [3] Manual de laboratorios. Ciencia de los materiales. Universidad Don Bosco, San Salvador. [4] Manual de prácticas laboratorio de tecnología de materiales I e introducción a la tecnología de materiales. Ingeniero Enrique Cortes González. Universidad Nacional Autonoma de México. [5] Smith, William F. (2006) Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de materiales, México, México. McGraw-Hill, 4a. Edición

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