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• Sergio Cantillo Luna

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UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE Facultad de Ingeniería Laboratorio 1 –Materiales y Procesos I 2016­01

Ensayo de Tracción para el Acero Estructural A36, la Fundición Gris y el Polipropileno Cantillo, S., Enríquez, J, Jácome, M., y Girón, J. Materiales y Procesos 1 Universidad Autónoma de Occidente 

Resumen—En este documento se hallan consignados, los resultados y el respectivo análisis de la caracterización de materiales sometidos a ensayos de tracción realizados en las maquinas universales de ensayos ubicadas en el laboratorio, esto fue realizado a 3 materiales diferentes: el acero estructural A36, la fundición gris y el polipropileno, haciendo hincapié en propiedades de cada material como la resistencia a la tracción, el módulo de elasticidad o Young, el esfuerzo de fluencia entre otros parámetros importantes. Finalmente se presenta una interpretación de como un ensayo de este tipo impacta en el campo de la ingeniería como tal. Índice de Términos—deformación, esfuerzo, fluencia, módulo de Young, Ensayo de tracción

I.INTRODUCCIÓN En Ingeniería se denomina Tracción al esfuerzo al que está sometido un material por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto y tienden a estirarlo separando sus partículas, causando posteriormente una falla de rotura.1 El ensayo de tracción es la forma de obtener dicha información sobre el comportamiento mecánico de los materiales cuando están sometidos a las fuerzas anteriormente descritas.2 En una práctica de tracción, la probeta se extiende en una dirección paralela a la carga aplicada realizada por la máquina universal de ensayos, que provoca gradualmente según las características del material la deformación de la probeta del material al aplicarle una carga progresiva en sentido axial. Esta máquina funciona a través de un motor trifásico conectado a un servo actuador, el cuál le da movimiento al tornillo conectado a las mordazas de dicha máquina, las cuáles extienden las probetas al aplicarles la carga correspondiente para cada prueba.

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En esta máquina se pueden apreciar varios parámetros que pueden contribuir a una clasificación de diferentes

tipos de materiales, para el caso de la tracción se pueden ver parámetros como los siguientes: El Esfuerzo el cual es la fuerza interior correspondiente a la unidad de superficie en un punto de sección dada. Matemáticamente se expresa como: (1) Donde es el esfuerzo normal [N/m2 o Pa], N es la fuerza axial aplicada por la maquina [N] y A es el área de la sección transversal de la probeta [m2] 2 El Módulo de Elasticidad de un material o Módulo de Young, se define como la relación entre la tensión realizada y la deformación que presenta la probeta de ensayo; generalmente se mide en MPa o N/mm 2.3 Se expresa como: (2) El Límite Elástico ( ) hace relación a la máxima tensión que el material es capaz de soportar; es decir, es la magnitud que mide la resistencia que posee el material a la deformación elástica. Sus unidades de fuerza por unidad de área se expresan en MPa. 3 La Resistencia a la Tensión, determina la cantidad de tensión que un material puede soportar sin romperse, aunque se deforme. 3

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La Deformación se puede definir como el cociente entre el cambio de la longitud experimentado por la probeta y su longitud inicial.7 Su ecuación se expresa como: * 100

(3)

Finalmente, La Reducción de área, es la medida de la ductilidad de los diferentes materiales que se obtiene en el ensayo de tracción; corresponde a la diferencia entre el área de la probeta antes y después del ensayo. 8 De igual forma se expresa como una reducción en porcentaje de la sección transversal original. Matemáticamente se expresa como:

=

* 100

Figura 1. Medidas según normativa (probetas metálicas ASTM E8).

(4)

La Realización de este tipo de ensayos, así como su estudio minucioso, está fundamentada en 2 factores importantes, ambas relacionadas con el ámbito industrial, la primera es minimizar la materia prima requerida y los costos de producción de un determinado elemento que la requiera y la segunda es tener en cuenta la seguridad de los dispositivos desarrollados, es decir, se debe utilizar equilibradamente el material, tal que genere costos lo más bajos posibles, pero que tampoco se vea un comprometido de alguna forma, de modo tal que genere fallas mecánicas que puedan producir lesiones o accidentes.

II.

norma ASTM D638, las cuales presentan las siguientes medidas.

Figura 2. Medidas según normativa ASTM D638 (probeta polipropileno). El montaje experimental de esta práctica se referencia en las siguientes imágenes:

ELEMENTOS NECESARIOS PARA LA PRÁCTICA

Para llevar a cabo el laboratorio, es indispensable contar con la Máquina universal de Ensayo UTS de tecnología alemana con la que se realizarán los ensayos de tracción a las probetas de material metálico, la maquina universal de ensayo INSTRON 3366 se empleara para realizar la práctica con la probeta de polipropileno en forma de “hueso” o “corbatín”, además de las 3 probetas que se utilizarán:  Acero Estructural A36.  Fundición de hierro gris.  Polipropileno Las probetas de acero A36 y la fundición de hierro gris se encuentran estandarizadas por la norma ASTM E8 y la probeta de polipropileno se halla estandarizada por la

Figura 3. Montaje experimental para el Laboratorio de Tracción en probetas metálicas (izquierda) y la probeta de polipropileno (derecha).

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.

III.

MÉTODOS

Para   comenzar   la   práctica   se   comienza   midiendo   la longitud inicial y el espesor de cada una de las probetas (acero   y   fundición),   luego   se   procede   a   colocar   la probeta,   en   la   maquina   universal   de   ensayos correspondiente,   de   tal   forma   que   se   sujete   a   las mordazas, seguido a esto se procede a colocar una galga, que es un sensor que capta los cambios de elongación que la probeta experimenta al someterse a la tensión que es ejercida por la máquina. Esta galga se conecta en la sección que se desea analizar, es decir la parte central de la probeta, lugar donde se espera ocurra la deformación al momento de superar el límite elástico; seguido a esto se selecciona la velocidad con la que la que se necesita trabajar, esta se coloca de acuerdo a la norma ASTM que recomienda que sea lo más baja posible para una buena toma de datos, esto se realiza   a   través   de   un   comando   computarizado   que tienen las maquinas con las que se realizan los ensayos. Momentos antes de realizar el ensayo experimental, el auxiliar del laboratorio se encarga de tomar las respectivas medidas dimensionales para cada una de las probetas con el fin de establecer las áreas transversales, teniendo en cuenta estos valores para la comparación con los resultados arrojados luego de realizado el ensayo; los cuáles se pueden observar en la siguiente tabla: TABLA I VALORES INICIALES DE LAS PROBETAS

Área Inicial (mm2) Diámetro Inicial (mm) Longitud Inicial (mm)

Polipropileno

Acero A36

39

28.27

Fundición de Hierro Gris 28.27

___

6

6

57

57

57

Ya con las configuraciones anteriormente descritas, se procede a poner en marcha la máquina, y esta gracias a un tornillo sin fin interno, procede a ejercer tensión sobre la probeta. Al mismo tiempo que esto acontece se comienza a mostrar con una gráfica el comportamiento que la probeta experimenta la carga (F) aplicada por la maquina versus la deformación que experimenta la probeta(Δl).

La tensión ejercida por la máquina llega a tal limite que hace que la probeta llegue a la zona de ruptura, en ese momento se procede a parar la máquina, y a desenganchar las partes de la probeta que quedan (2 partes). Luego de esto son analizadas cada una de las piezas con el objetivo de encontrar zonas de reducción de área o cuellos, señal de un material dúctil y con zona plástica apreciables que tendrá una parte de la probeta en forma de cóncavo y la otra en forma de convexo; si esta descripción no encaja con la encontrada en la pieza en cuestión será un material menos dúctil. Finalmente se proceden a tomar los datos recolectados en cada práctica, se trasladan mediante las relaciones matemáticas a Esfuerzo (MPa) y Deformación (mm/mm) y se realiza la identificación de cada zona del material.

IV.

RESULTADOS Y ANÁLISIS

Una vez realizadas las respectivas pruebas de tracción tanto para las 3 probetas, se graficaron para cada caso los comportamientos de Esfuerzo Vs. Deformación a partir de la información censada de carga aplicada y de deformación proporcionada por la galga Extensiométricas, la cual fue almacenada en el software de la computadora de las maquina universales de ensayos utilizadas. En las gráficas 1, 2 y 3 se observan los diagramas de esfuerzo con respecto a la deformación para los materiales empleados en la práctica.

Grafica 1. Diagrama de Esfuerzo VS. Deformación unitaria para el acero A36

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ubicado justo en donde el comportamiento comienza a ser no proporcional entre las variables, es decir donde la relación ya no es lineal, punto también se pasa de la zona elástica a la zona plástica del material, dichos valores de esfuerzo correspondientes al límite elástico se hallaron mediante la ayuda de la herramienta “coordenadas”, la cual arroja valores exactos ubicándola sobre cualquier punto de la gráfica.

Grafica 2. Diagrama de Esfuerzo VS. Deformación unitaria para la fundición de hierro gris.

En las gráficas 4 y 5 se observan los diagramas con sus respectivos ajustes lineales y la herramienta coordenada, mientras que en la tabla 2 se encuentran consignados los valores correspondientes al módulo de elasticidad y al esfuerzo en el límite elástico obtenidos por las herramientas mencionadas del software.

Grafica 3. Diagrama de Esfuerzo VS. Deformación unitaria para el Polipropileno.

A partir de las gráficas anteriormente mostradas se realizó el análisis de los diferentes valores característicos en una prueba de tracción, los cuales corresponden al esfuerzo del límite elástico, el esfuerzo máximo, esfuerzo de fluencia y por último el módulo de elasticidad o módulo de Young. Como se ha visto durante el curso se conoce que el módulo de elasticidad representa la pendiente de la zona elástica del grafico de esfuerzo vs. Deformación, en donde dicha zona la relación entre ambas variables se observa que es directamente proporcional (y=AX), por lo tanto, para obtener el módulo de elasticidad para ambos casos lo que se hizo fue obtener la pendiente de dicha zona por medio de la herramienta “Ajuste lineal” del software Capstone. Esta herramienta permite a través de la selección de unos puntos indicados por el mismo usuario obtener el valor de la pendiente como también el del intercepto de dichos datos, sin embargo, para este caso solo se hizo hincapié a la pendiente. También se procedió a hallar los valores de los limites elásticos para ambos materiales, el cual se encuentra

Grafica 4. Módulo de elasticidad y Limite elástico del Acero A36.

Grafica 5. Módulo de elasticidad y limite elástico de la fundición gris

Laboratorio de Tracción Material Acero A36 Fundición gris Polipropileno

Módulo de elasticidad (N/mm2) 155000 ±49 17600 ±270 456±39

5 Limite elástico (N/mm2) 351,78 76060 4,59

Grafica 6.Módulo de elasticidad y Limite elástico del Polipropileno Tabla 2. Módulo de elasticidad y limites elásticos de las probetas

Grafica 7. Esfuerzo máximo y de fluencia del Acero A36

Una vez analizados y encontrados el esfuerzo correspondiente al límite elástico y el módulo de elasticidad para los materiales trabajados, se procedió a analizar y encontrar los valores para el esfuerzo en el límite de fluencia y el esfuerzo último. Para encontrar el esfuerzo en el límite de fluencia se empleó el método del 0.2% de deformación unitaria, esto con la intención de tener un valor más preciso y también porque dicho valor en la gráfica no quedo claramente definido. Dicho método consiste en trazar una recta paralela, es decir con la misma pendiente que la recta de la zona elástica que anteriormente se trazó para hallar el módulo de elasticidad, pero con un diferente intercepto. Finalmente, una vez trazada dicha recta paralela se observó en qué punto exacto la recta cortaba la grafica y en dicho punto se le considero como el esfuerzo correspondiente al límite de fluencia. También se determinó el esfuerzo último a partir de la gráfica, señalándolo como el punto donde se presenta el máximo esfuerzo mediante la herramienta coordenada.

Grafica 8. Esfuerzo máximo y de fluencia de la fundición gris

Laboratorio de Tracción

6

Gris Polipropileno 260

V.

430

65.38

CONCLUSIONES

Respecto a la práctica de laboratorio se pueden encontrar algunos aspectos como los siguientes: La realización de pruebas experimentales con diferentes tipos de materiales permite analizar y conocer su comportamiento frente a diferentes condiciones, esto es posible gracias al estudio de sus propiedades mecánicas fundamentales.

Analizando los tipos de fracturas que tuvieron las probetas de cada uno de los materiales, se observó que para la probeta correspondiente al ensayo del acero A36, la sección donde se presentó la fractura termino siendo de forma cóncava característica que correspondería a una fractura del tipo de taza y cono, adicional a esto durante la prueba de tracción de dicho material se pudo observar la formación de cuello en uno de los puntos de la probeta, estas evidencias permitieron confirmar que el tipo de fractura que presento el acero A36 fue una fractura de un material con propiedades mecánicas que lo hacen dúctil al igual que en el caso de la probeta del polipropileno que también es extremadamente dúctil aunque su forma de fractura era levemente distinta, ya que su área transversal es equivalente a la de un rectángulo. Por ultimo analizando la fractura de la fundición gris se pudo observar que su fractura fue prácticamente lisa y plana casi por completo, este tipo de fracturas permitió clasificarla como un material con propiedades mecánicas que lo hacen frágil. Posterior a la realización de estas gráficas, se realizó la comparación de los resultados obtenidos con los valores nominales de cada uno de los materiales, de las probetas y corroborar la exactitud de este ensayo realizado, esto es fácilmente apreciable mediante la siguiente tabla comparativa. Material

Acero A36 Fundición

Módulo de Elasticidad Teórico (N/mm2) 199948 46000

Módulo de Elasticidad Experimental (N/mm2) 155000 58600

Error (%) 22.47 27.39

El acero estructural a comparación de la fundición gris es mucho más resistente a esfuerzos de tracción, esto se puede evidenciar en el porcentaje arrojado en la reducción del área para el acero; teniendo en cuenta de que en la probeta de fundición no se presenta cambio alguno es decir no se presenta cuello al momento de romperse por la aplicación de la fuerza máxima que resiste (8747.7 N). El polipropileno fue el material que mayor ductilidad tuvo, debido a que se requirió una cantidad de tiempo bastante grande en el ensayo (aproximadamente media hora), también este material fue el que mayor deformación tuvo, conforme a sus características que lo hacen muy resistente a la tracción por su gran zona de deformación plástica. Para lograr resultados con menor incertidumbre, se recomienda realizar la práctica con un extensómetro que pueda tomar la medida del cambio en la longitud de la probeta con un error muy pequeño, tal que se pueda despreciar; esto se realiza con el fin de poder encontrar resultados más aproximados a los que ya se encuentran estandarizados en la industria. El ensayo de tracción en polímeros (en este caso polipropileno) es muy similar al realizado en materiales como los metales, pues lo único que varía además de los resultados son el modelo de la máquina universal de ensayos utilizada y el diseño de las probetas, las cuales están realizadas bajo otro estándar (ASTM D638).

VI.

REFERENCIAS

[1] (Fuente Online Monográfica) Centro Aragonés para las tecnologías “Ensayo de Tracción”. Disponible en línea:

[2] (Fuente Online) Gabriel Calle. “Laboratorio de Resistencia de Materiales”. Universidad Tecnológica de Pereira. Disponible en línea: < http://www.utp.edu.co/~gcalle/Contenidos/Traccion 01.pdf>

[3] (Fuente Online) Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. “Ensayo de Tracción”. Disponible en línea:

[4] I.E.S Villalba Hervás. “Ensayos con Materiales”. Disponible en:

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