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GUÍA PROCEDIMENTAL PRACTICAS DE LABORATORIO ESING Formato 1

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

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Asignatura: RESISTENCIA DE MATERIALES Practica No: 01 Tema: ENSAYO DE TENSIÓN Docente: ERIC VIANA BUENDIA

1. Competencias, esperadas al finalizar la práctica:  Interpretar el diagrama de esfuerzo – elongación unitaria para obtener las propiedades mecánicas más representativas de un material  Comparar las propiedades mecánicas de dos metales diferentes: acero y aluminio  Medir el grado de ductilidad de un material

2. Objetivos 2.1 General. Analizar el comportamiento de diversos materiales metálicos al ser sometidos a un esfuerzo de tensión uniaxial.

2.2 Objetivos específicos: Determinar las magnitudes que caracterizan las propiedades mecánicas de los aceros y aluminios en ensayo de tensión uniaxial.  Resistencia mecánica: Esfuerzo de fluencia y esfuerzo último a tracción Ductilidad: Esfuerzo de Fluencia y Estricción o Rigidez: Módulo de Elasticidad. Adquirir habilidades en la interpretación de gráficas de Esfuerzo contra elongación unitaria en los ensayos de tensión.

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Comparar las propiedades mecánicas del acero al carbono con las del aluminio

3. Teoría relevante. En ingeniería estructural, los esfuerzos internos o esfuerzos de sección son magnitudes físicas con unidades de fuerza sobre área utilizadas en el cálculo de piezas prismáticas como vigas o pilares y también en el cálculo de placas y láminas. Los esfuerzos internos sobre una sección transversal plana de un elemento estructural se definen como un conjunto de fuerzas y momentos estáticamente equivalentes a la distribución de tensiones internas sobre el área de esa sección. Así, por ejemplo, los esfuerzos sobre una sección transversal plana Σ de una viga es igual a la integral de las tensiones t sobre esa área plana. Normalmente se distingue entre los esfuerzos perpendiculares a la sección de la viga (o espesor de la placa o lámina) y los tangentes a la sección de la viga (o superficie de la placa o lámina): 

Esfuerzo normal (normal o perpendicular al plano considerado), es el que viene dado por la resultante de tensiones normales σ, es decir, perpendiculares, al área para la cual pretendemos determinar el esfuerzo normal.



Esfuerzo cortante (tangencial al plano considerado), es el que viene dado por la resultante de tensiones cortantes τ, es decir, tangenciales, al área para la cual pretendemos determinar el esfuerzo cortante.



Esfuerzo Normal: (esfuerzo axil o axial) es el esfuerzo interno o resultante de las tensiones perpendiculares (normales) a la sección transversal de un prisma mecánico. Este tipo de solicitación formado por tensiones paralelas está directamente asociado a la tensión normal. Dada una sección transversal al eje longitudinal de una viga o pilar el esfuerzo normal es la fuerza resultante de las tensiones normales que actúan sobre dicha superficie. Si consideramos un sistema de coordenadas cartesianas en que el eje X esté alineado con el eje recto de la viga, y los ejes Y y Z estén alineados con las direcciones principales de inercia de la sección el tensor de tensiones ([T]xyz) y el esfuerzo normal (Nx) vienen dados por:

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Ecuación Número 1. Esfuerzo Normal.

Flexión Mecánica: En ingeniería se denomina flexión al tipo de deformación que presenta un elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal. El término "alargado" se aplica cuando una dimensión es dominante frente a las otras. Un caso típico son las vigas, las que están diseñadas para trabajar, principalmente, por flexión. Igualmente, el concepto de flexión se extiende a elementos estructurales superficiales como placas o láminas. El rasgo más destacado es que un objeto sometido a flexión presenta una superficie de puntos llamada fibra neutra tal que la distancia a lo largo de cualquier curva contenida en ella no varía con respecto al valor antes de la deformación. El esfuerzo que provoca la flexión se denomina momento flector.

Imagen Número 1. Flexión Mecánica.

Esfuerzo de tensión: En física e ingeniería, se denomina tensión mecánica a la magnitud física que representa la fuerza por unidad de área en el entorno de un punto material sobre una superficie real o imaginaria de un medio continuo. Es decir, posee unidades físicas de presión. La definición anterior se aplica tanto a fuerzas localizadas como fuerzas distribuidas, uniformemente o no, que actúan sobre una superficie. Con el objeto de explicar cómo se transmiten a través de los sólidos las fuerzas externas aplicadas, es necesario introducir el concepto de tensión, siendo este el concepto físico más relevante de la mecánica de los medios continuos, y de la teoría de la elasticidad en particular. Elaboró :

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Esfuerzo de compresión: El esfuerzo de compresión es la resultante de las tensiones o presiones que existen dentro de un sólido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a una reducción de volumen del cuerpo, y a un acortamiento del cuerpo en determinada dirección (coeficiente de Poisson). En piezas estructurales suficientemente esbeltas los esfuerzos de compresión pueden producir además abolladura o pandeo. Esfuerzo ultimo: Lo que nos determina la resistencia última es el esfuerzo máximo al que puede resistir un material, cada material varia la resistencia debido a su composición o características. En el diagrama mostrado en la parte inferior se muestra gráficamente la resistencia a la tensión al máximo esfuerzo que un material es capaz de desarrollar, diagrama entre esfuerzo y deformación para un metal dúctil y un metal no dúctil cargado hasta la ruptura por tensión:

Imagen Número 2. Esfuerzo Ultimo.

Esfuerzo de Trabajo o Esfuerzo Admisible: es aquel que debe estar por debajo del límite elástico y del punto de proporcionalidad para que pueda ser válida la Ley de Hooke en la cual está basada la Teoría Elástica. En ese sentido se acostumbra a utilizar por Norma un Factor de Seguridad ya que es muy difícil determinar ese punto, por lo tanto, se divide el Punto Cedente por ese factor para obtener ese esfuerzo admisible, o sea que Esfuerzo cedente:

Ecuación Número 2. Esfuerzo Admisible.

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Esfuerzo de estado límite: El límite elástico, también denominado límite de elasticidad, es la tensión máxima que un material elastoplástico puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. Si se aplican tensiones superiores a este límite, el material experimenta un comportamiento plástico con deformaciones permanentes y no recupera espontáneamente su forma original al retirar las cargas. En general, un material sometido a tensiones inferiores a su límite de elasticidad es deformado temporalmente de acuerdo con la ley de Hooke.

Imagen Número 3. Esfuerzo de estado limite

Esfuerzo cortante; de corte, de cizalla o de cortadura es el esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma mecánico como por ejemplo una viga o un pilar. Se designa variadamente como T, V o Q. Este tipo de solicitación formado por tensiones paralelas está directamente asociado a la tensión cortante. Para una pieza prismática se relaciona con la tensión cortante mediante la relación:

Para una viga recta para la que sea válida la teoría de Euler-Bernoulli se tiene la siguiente relación entre las componentes del esfuerzo cortante y el momento flector:

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Esfuerzo de aplastamiento: Un caso particular de esfuerzo se presenta cuando hay un contacto entre dos superficies que se presionan entre si. Tanto pernos como pasadores y remaches crean esfuerzos en los elementos, en toda la superficie de aplastamiento de contacto.

Imagen Número 4. Esfuerzo de aplastamiento.

Esfuerzo de apoyo: Esfuerzo de apoyo.- Los pernos suelen ejercer fuerzas en el elemento que se están apoyando, pues a toda acción corresponde a una reacción, es como cuando camino por el piso, el piso ejercerá una fuerza contraria a la que yo estoy ejerciendo, pues me estoy apoyando en el piso. Sigma b = P/td donde t se podría decir que es la profundidad del elemento o perno y d el diámetro del perno. Los términos ensayo de tensión y ensayo de comprensión se usan normalmente a la hora de hablar de ensayos en los cuales una probeta preparada es sometida a una carga uniaxial gradualmente creciente (estática) hasta que ocurre la falla. En un ensayo de tensión simple, la operación se realiza sujetando los extremos opuestos de la pieza de material y separándolos. En un ensayo de comprensión, se logra sometiendo una pieza de material a una carga en los extremos que produce una acción aplastante. En un ensayo de tensión, la probeta se alarga en una dirección paralela a la carga aplicada; en un ensayo de comprensión, la pieza se acorta. Dentro de los límites de lo práctico, la resultante de la carga se hace coincidiendo con el eje longitudinal de la probeta. Exceptuando algunas piezas de ensayo arbitrariamente formadas, las probetas son cilíndricas o prismáticas en su forma y de sección transversal constante a lo largo del tramo dentro del cual las mediciones se toman. Las probetas en comprensión quedan limitadas a una longitud tal que el pandeo debido a la acción columnar no constituya un factor.

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Imagen Número 5. Ensayo Tensión.

Los ensayos estáticos de tensión y de comprensión son los más realizados, además de ser los más simples de todos los ensayos mecánicos. Estos ensayos implican la normalización de las probetas con respecto a tamaño, forma y método de preparación y la de los procedimientos de ensayo. El ensayo de tensión es el apropiado para uso general en el caso de la mayoría de los metales y aleaciones no ferrosos, fundidos, laminados o forjados; para los materiales quebradizos (mortero, concreto, ladrillo, cerámica, etc.) cuya resistencia a la tensión es baja, en comparación con la resistencia a la comprensión

 Ensayo de Tracción de Acero dulce. Ensayo de tracción de un acero dulce. Si se quiere conocer las propiedades mecánicas del material una vez finalizado el periodo de proporcionalidad analizamos lo que sucede en el ensayo de tracción que es el que define mejor las características del material. El ensayo se realiza mediante una máquina capaz de aplicar dos fuerzas iguales y opuestas, colineales con el eje de la probeta que con intensidad creciente produce el progresivo aumento de la distancia entre dos puntos determinados en la muestra; con capacidad suficiente para producir la rotura de la pieza y dotada de un extensómetro que irá midiendo los alargamientos producidos y un dinamómetro que irá midiendo la intensidad de la fuerza aplicada.

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Imagen Número 6. Esquema del ensayo

Ejemplos de formas geométricas de uso común en las probetas de ensayo a tracción .

Imagen Número 7. Esquema del ensayo – Formas Geométricas.

Por ser un ensayo deberá cumplir con determinadas características a saber: la aplicación de la carga se efectúa en forma lenta, en un lapso de minutos, de modo que las propiedades que surjan sean las que resultarían en condiciones rigurosamente estáticas (simulan cargas permanentes); la forma y dimensiones de las probetas están establecidas por los reglamentos. La máquina registra la gráfica F - ΔL, que luego se traducirá al correspondiente σ = ε mediante un simple cambio de escalas.

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Grafica Número 1. Ensayo de Tensión.

Durante el período inicial de carga, las pequeñas deformaciones que se verifican en la probeta resultan ser proporcionales a la fuerza actuante, definiéndose el tramo recto OA del diagrama, llamándose al punto A Límite de Proporcionalidad σp período en el cual se verifica la ley de Hooke. Si se continúa aumentando la intensidad de carga, sin superar el punto B, podremos observar que las deformaciones crecen más rápido los incrementos de cargas y también se verá que si cesa la aplicación de la carga la probeta recupera la longitud inicial, o sea el material se comporta como perfectamente elástico, razón por la cual al punto B se lo denomina “Límite Elástico Aparente”, siendo este punto de fácil identificación durante el ensayo (como se verá a continuación) y muy usado en la práctica. Siguiendo con el ensayo, se entra en el período CD, conocido como “Período de Fluencia”, caracterizado por un Límite Inferior de Fluencia y un Límite Superior de Elaboró :

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Fluencia (punto C). En este tramo el incremento de cargas pareciera detenerse sin ocurrir lo mismo con las deformaciones que continúan generándose (se dice que el material fluye libremente). Para el que presencia el ensayo, el inicio de este período es fácilmente detectable por dos hechos característicos: Si observa el dinamómetro verá que la aguja indicadora oscila entre dos valores (que corresponden al límite inferior y el límite superior de fluencia) mientras que la aguja testigo permanece fija marcando el valor correspondiente al límite superior de fluencia. Cabe observar que el límite inferior es de muy difícil determinación ya que la aguja se mueve permanentemente. Si se observa la probeta verá aparecer líneas que forman 45º con el eje que se conocen con el nombre de “Líneas de Luders” y que son consecuencia de deslizamientos relativos entre los cristales que forman el material.

Imagen Número 8. Esquema del ensayo – deformación.

Es importante destacar que el período de fluencia de los aceros será más o menos prolongado dependiendo del mayor contenido de carbono, a menos contenido de carbono, mayor período de fluencia comprobándose que con contenidos superiores al 0,9% no existe fluencia

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Pasado el período de fluencia el material adquiere nuevamente la capacidad de oponerse al alargamiento y el diagrama retorna a su trazado ascendente, con una gran deformación plástica hasta llegar al punto E donde la carga alcanza el máximo valor y la curva tiene allí recta tangente horizontal. Todos los alargamientos experimentados por la probeta hasta el punto E fueron uniformes en toda la longitud, pero a partir de este punto las deformaciones se concentran en una zona donde se produce una contracción brusca que conduce a la rotura por descohesión del material en la sección contraída de la muestra. Deformación localizada en la zona central de la probeta

Imagen Número 9. Resultado Probeta de Ensayo.

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Al período comprendido entre el punto E y el E1 se lo llama Período de Estricción. En el diagrama puede observarse que las cargas sufren una caída en su intensidad que resulta de la disminución de la sección, siendo la carga correspondiente al punto E la máxima carga resistida, razón por la cual al punto E se lo denomina Limite de rotura (esta carga queda registrada por la aguja testigo del dinamómetro).

4. Materiales y equipos necesarios para realizar la práctica. • • •

Máquina Universal de Ensayos de tracción Una probeta estandarizada según ASTM de acero al carbono Una probeta estandarizada según ASTM de aluminio

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5. Procedimiento.  Medición de la probeta: Antes de comenzar a realizar el ensayo de tensión se debió tomar las respectivas medidas dimensionales de las probetas. Este procedimiento de medición es efectuado con un gran cuidado y debe implementarse la correcta utilización del flexómetro. Para tomar las medidas de nuestras probetas utilizaremos las unidades del sistema métrico internacional (SI) expresando dichas medidas en milímetros (mm) .

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 Programación y puesta a punto de la maquina universal de ensayos: Paso siguiente con la ayuda del encargado le laboratorio procedemos a calibrar y programa y el software de la maquina universal para poder realizar el ensayo de tensión según los parámetros establecidos.  Realización de la prueba y toma de los datos: La máquina universal impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad seleccionable. La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una señal que representa la carga aplicada “load” en toneladas fuerza (Tf). La máquina también posee un potenciómetro lineal el cual toma los datos de posición los cuales denomina “Stroke” en milímetros (mm); resultando así una tabla de datos donde tenemos una relación de la carga y el estiramiento del material como lo muestra la siguiente tabla.  Toma de datos Finales. Finalmente se toman los datos (medida) de la probeta, una vez efectuado el laboratorio, para proceder con los respectivos cálculos. 6. Observaciones, solicitudes, preguntas y recomendaciones para el desarrollo de la práctica. Ninguna.

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7. Datos que se deben tomar durante el desarrollo de la práctica. • Diámetro central de la probeta antes del ensayo •

Longitud entre marcas de referencia antes del ensayo

•

Tabla de datos de fuerza / Elongación basados en los datos arrojados por la máquina de ensayos (suministrados por el laboratorista)

•

Longitud entre marcas después del ensayo (probetas fracturadas)

•

Diámetro de la probeta en la zona de ruptura

Estos datos se toman para cada una de las dos probetas que se van a ensayar.

8. Cálculos a desarrollar antes, durante y después de la práctica.

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• Área seccional de la pieza basado en el diámetro antes del ensayo Radio = 4.5 mm A= 𝜋𝑟 2 = 𝜋(4.5)2 A= 63.68mm2 •

Esfuerzo asociado a cada valor de fuerza de la tabla de datos de fuerza tomados durante el ensayo. Fuerza (KN) Fuerza (N)

0,7 3,07 3,58 3,8 4,48 4,9 5,3 5,5 6,54 6,9 7 7,2 7,22 7,25 7,3 7,34 7,39 7,42 7,43 7,45 7,46 7,48 7,5 7,55 7,67 7,71

700 3070 3580 3800 4480 4900 5300 5500 6540 6900 7000 7200 7220 7250 7300 7340 7390 7420 7430 7450 7460 7480 7500 7550 7670 7710

Área Original Sección Transversal Probeta. (m2)

Esfuerzo (Pa)

0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368

10992462,31 48209798,99 56218592,96 59673366,83 70351758,79 76947236,18 83228643,22 86369346,73 102701005 108354271,4 109924623,1 113065326,6 113379397 113850502,5 114635678,4 115263819,1 116048995 116520100,5 116677135,7 116991206 117148241,2 117462311,6 117776381,9 118561557,8 120445979,9 121074120,6

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7,74 7,76 7,77 7,78 7,79 7,81 7,84 7,87 7,89 7,9 7,93 7,94 7,98 8,01 8,01 8,03 8,05 8,04 8,02 7,95 7,74 7,2 6,65 6,5

7740 7760 7770 7780 7790 7810 7840 7870 7890 7900 7930 7940 7980 8010 8010 8030 8050 8040 8020 7950 7740 7200 6650 6500

0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368 0,00006368

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121545226,1 121859296,5 122016331,7 122173366,8 122330402 122644472,4 123115577,9 123586683,4 123900753,8 124057788,9 124528894,5 124685929,6 125314070,4 125785175,9 125785175,9 126099246,2 126413316,6 126256281,4 125942211,1 124842964,8 121545226,1 113065326,6 104428392 102072864,3

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• 𝜀=

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Elongación unitaria basado en la longitud antes del ensayo. 𝐿−𝐿𝑂 𝐿𝑂

𝜀=

310 𝑚𝑚 − 300 𝑚𝑚 300 𝑚𝑚 𝜀=

10𝑚𝑚 300 𝑚𝑚

𝜀 = 0.033 •

Diligenciar la tabla de Esfuerzo / Elongación axial (ver anexo)

•

Determinación del esfuerzo límite de elasticidad.

•

Determinación del esfuerzo máximo o de fractura

•

Estimación del Módulo de Elasticidad

•

Cálculo del error porcentual del Módulo de elasticidad con respecto al módulo de elasticidad del material basado en las tablas de Propiedades Mecánicas existentes en los textos de mecánica de materiales

•

Estimación del porcentaje de elongación

•

Estimación del porcentaje de estricción de área.

Estos cálculos se realizan para cada una de las dos probetas a ensayar. 9. Resultados Deben elaborar a mano en papel milimetrado la gráfica de esfuerzo vs elongación unitaria a partir de los cálculos de esfuerzo y elongación unitaria elaborados previamente. Esta gráfica se escanea y se incluye como anexo en el informe. En esa gráfica debe marcar e identificar: Punto de fluencia, punto máximo, punto de ruptura, y delimitar la zona elástica bajo la gráfica.

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10. Análisis de resultados (Solicitar que deducciones debe formular el practicante una vez finalice el desarrollo procedimental). El grupo de estudiantes debe redactar las observaciones directas de la manera como las variables que intervienen en el ensayo de Tracción se comportaron durante la experiencia. 11 Conclusiones (Solicitar emitir las conclusiones debidas) Redactar las conclusiones obtenidas de la experiencia. Se aclara que: • • •

Se diferencian del análisis de resultados No se tratan de los objetivos redactados en pasado Evite el uso de estribillos como “se cumplieron los objetivos con éxito” o “descubrimos la importancia de la experiencia en nuestra formación”…..

12. Informe de laboratorio. (Dar las recomendaciones, y pautas, de como se debe presentar el informe de laboratorio por parte del practicante, una vez finalice la practica de laboratorio, plazo y condiciones). El informe debe incluir su portada, en la cual se anotan todos los integrantes del grupo con sus códigos, título de la experiencia, institución, programa o carrera, semestre, asignatura, y ciudad con fecha. 13. Bibliografía (Anexar bibliografía recomendada para el desarrollo de la practica) Información bibliográfica y webgráfica completa y acorde con la normativa IEEE (es la normativa que se utiliza para los proyectos de grado)

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Material: _________________________ Diámetro inicial de probeta (mm):

______

Longitud inicial representativa (mm): _________ F (kN)

(MPa)

Lf

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